基于三维荧光光谱-平行因子技术联用的湖泊浮游藻化学分类学研究

浮游藻荧光分析技术因其能够实现现场、快速、低成本测定而受到广泛研究和应用.本研究以浮游藻活体三维荧光光谱(EEM)为基础,利用平行因子(PARAFAC)和CHEMTAX发展了浮游藻群落组成荧光分析技术.首先,将PARAFAC模型应用于23种浮游藻的EEM,通过残差分析、荧光成分谱形分析等方法确定浮游藻EEM由12个荧光成分组成;然后,利用Bayesian判别分析表明浮游藻12个荧光成分的组成具有明显的门类特征性;最后,以获得的12个荧光成分构建浮游藻"荧光成分比值矩阵",结合CHEMTAX建立浮游藻荧光识别分析技术.通过测试表明,该技术对531个单种藻样品的平均识别正确率是99.1%,其中,绿藻的识别正确率为97.5%,其余藻的识别正确率为100%.对于95个实验室混合样品,优势藻和次优势藻的平均识别正确率分别为98.5%和90.5%;测定的平均相对含量分别为69.7%和26.4%.结果表明,本研究所建立的EEM-PARAFAC-CHEMTAX方法能够实现浮游藻群落组成的快速定性定量测定.     

硅藻和甲藻的荧光识别测定技术研究

基于浮游植物活体叶绿素荧光激发光谱建立了硅藻和甲藻的识别测定技术。根据Fisher判别分析结果,浮游植物活体叶绿素荧光激发光谱具有同门类藻谱形相似、不同门类藻谱形差异明显的特点,可作为硅藻和甲藻的识别特征谱,据此建立了浮游植物荧光特征谱库,并利用非负最小二乘法进行识别测定,其中单门类样品共有258个,识别正确率为98%,回收率≥79%;两个门类的混合样品共有18个,识别正确率为78%,回收率≥76%。     

荧光光谱结合主成分分析对赤潮藻的识别测定

利用主成分分析和非负最小二乘法,建立了我国近海常见的11种赤潮藻在属水平上的活体荧光识别测定技术.利用Delaunay三维插值法,消除浮游藻三维荧光光谱的瑞利散射和拉曼散射峰, 根据Fisher判别分析方法对各主成分及其组合的分辨能力的判别结果,确定赤潮藻三维荧光光谱的第一主成分得分谱和第二主成分得分谱作为赤潮藻识别特征谱,建立赤潮藻荧光特征谱库,在此基础上,利用非负最小二乘法对11种赤潮藻在属水平上进行识别测定,赤潮藻的识别正确率≥85%,其中9种赤潮藻的识别正确率≥90%,特别是对于近几年东海发生赤潮频率极高的东海原甲藻（Prorocentrum donghaiense）、中肋骨条藻（Skeletonema costatum）和裸甲藻（Gymnodinium sp.）,识别正确率≥95%.本研究表明,利用主成分分析提取赤潮藻三维荧光光谱特征以实现赤潮藻在属水平上的识别测定是可行的.     

我国东海常见6种有毒赤潮藻的三维荧光光谱识别技术

基于有毒赤潮藻的三维荧光光谱及主成分分析方法,针对我国东海常见的6种有毒赤潮藻建立了有毒赤潮藻活体荧光识别测定技术.根据Fisher判别分析结果,选用三维荧光光谱的第一主成分得分谱作为有毒赤潮藻识别特征谱,建立了有毒赤潮藻荧光特征库,在此基础上,利用非负最小二乘法对6种有毒赤潮藻进行识别测定,有毒赤潮藻的识别正确率≥80%.     

冰封状态下达里湖冰-水中浮游细菌群落结构差异

细菌是湖泊生态环境、物质能量循环的关键参与者.为了解寒旱区湖泊冰封状态下上部水体中浮游细菌群落结构变化特征,于2019年1月中旬,在内蒙古达里湖进行了15个取样点处的湖冰底层、冰下表层水等样品（"底冰"和"表水"）的采集与分析.结果表明,在门类水平上,达里湖底冰中浮游细菌群落多样性比表水中略低,且优势浮游细菌门类的相对含量出现明显冰-水差异.虽然底冰和表水中优势浮游细菌门类均由Proteobacteria、Actinobacteria、Cyanobacteria、Bacteroidetes、Verrucomicrobia、Planctomycetes、Tenericutes及Gemmatimonadetes等组成,但Proteobacteria的相对含量在底冰中平均达到63.64%,而表水中的平均相对含量下降到26.75%,明显小于Actinobacteri的平均相对含量（39.10%）.再者,由于冰封过程中"冷冻浓缩"作用导致氮（N）、磷（P）等元素迁移幅度不同,促使底冰和表水中Proteobacteria和Actinobacteria等优势细菌门类相对含量存在明显的差异响应,导致主要浮游细菌属种的相对含量出现冰-水明显不同.整体上,总磷（TP）和溶解性总磷（DTP）等变化成为影响底冰中优势细菌门类结构变化的环境因子,而溶解态无机磷（DIP）和氨氮（NH₄⁺-N）等变化成为影响表水中优势细菌门类结构变化的环境因子.显然,不同形态N、P元素的迁移幅度等成为影响冰封状态下湖泊表层水体中浮游细菌结构差异的主要影响因素,这也将为进一步分析寒旱区湖泊水生态环境提供基础数据.     

天目湖沙河水库浮游植物群落结构的时空异质性

为揭示水库浮游植物群落结构的时空异质性,以江苏省溧阳市天目湖沙河水库为例,基于8年逐月浮游植物群落结构及相关环境因子的连续监测结果,分析了水库河流区、过渡区及湖泊区浮游植物群落结构的季节差异及影响因素.结果表明,空间上营养盐、浊度和悬浮颗粒物等关键水质指标及浮游植物叶绿素a含量均呈现河流区过渡区湖泊区的现象,透明度呈现河流区过渡区湖泊区的现象,其中河流区的各环境因子与过渡区和湖泊区的空间差异显著(ANOVA,P0.05),而过渡区与湖泊区之间仅在透明度、浊度、悬浮颗粒物等物理参数方面差异显著;同样,浮游植物生物量上也呈现河流区过渡区湖泊区的现象,其中河流区与过渡区、湖泊区之间差异显著(ANOVA,P0.05),而过渡区与湖泊区之间则无显著性差异;但在浮游植物的优势属方面,河流区、过渡区、湖泊区基本一致,仅隐藻门生物量在河流区、过渡区、湖泊区具有显著性差异(ANOVA,P0.05),呈现河流区过渡区湖泊区的特征.不同季节之间浮游植物群落结构差异较大:生物量在夏季最高,冬季最低;优势属在春季以针杆藻(Synedra)、小环藻(Cyclotella)、隐藻(Cryptomonas)和曲壳藻(Achnanthes)为主,夏季以针杆藻、隐藻、尖头藻(Raphidiopsis)、席藻(Phormidium)为主,秋季以隐藻、针杆藻、尖头藻、束丝藻(Aphanizomenon)为主,冬季以隐藻、针杆藻、曲壳藻和小环藻为主;其中针杆藻、隐藻为全年优势属.统计分析表明,水温、总磷、透明度是浮游植物时空差异的主要影响因子.研究表明,对于沙河水库这种换水周期为4个月的大(Ⅱ)型水库,虽然浮游植物总生物量在空间上有显著性差异,但群落组成上仅隐藻属的空间差异显著,多数浮游植物群落结构在空间分布差异较小,当浮游植物群落结构调查时可以适当减少观测点位,提高采样频次,以提高水库环境监测的样品代表性.     

2015~2020年洪泽湖浮游植物群落结构及其环境影响因子

洪泽湖是南水北调东线工程的重要调蓄湖泊,在气候调节、防洪防汛等方面起着重要的作用.为研究洪泽湖浮游植物群落结构演替及与环境因子的关系,了解“十年禁渔”前洪泽湖生态系统状况,于2015～2020年进行了逐月监测.研究期间,总氮(TN)年平均浓度从2017年之后呈显著下降趋势,总磷(TP)和化学需氧量(COD)总体呈下降趋势,水温无明显变化趋势,水深和透明度从2015～2018年上升,之后显著下降.调查期间共鉴定有浮游植物8门102属310种,浮游植物优势门类主要包括绿藻门和硅藻门,其次为蓝藻门和甲藻门.主要优势属为栅藻(Scenedesmus)、直链藻(Aulacoseira)、隐藻(Cryptomonas)、小环藻(Cyclotella)、四角藻(Tetraedron)、微囊藻(Microcystis)和长孢藻(Dolichospermum).非度量多维尺度分析方法(NMDS)表明,洪泽湖浮游植物群落结构组成在不同年份、不同季节和不同采样区域有显著差异,其变化主要是浮游植物的优势种属间再分配.NMDS分析结果显示,洪泽湖浮游植物群落结构变化与水温、 TN、 TP、水深和透明度等因素有关...     

苏南水库硅藻群落结构特征及其控制因素

为了解我国东南湿润区丘陵山地型水库硅藻的群落结构特征和控制因素,于2015年6月硅藻水华敏感期对苏南地区18座水库的浮游植物群落结构和水质进行调查,分析了营养盐、水深、库容等因素与硅藻及其它浮游生物的关系.结果表明,硅藻达到轻度水华水平(硅藻细胞含量介于100~1 000万cells·L~(-1))的水库有10座,对供水和景观功能产生明显影响;苏南地区水库普遍处于中营养和富营养水平,总氮浓度普遍偏高,磷及营养状态指数与硅藻生物量的关系密切;苏南地区水库中的浮游植物在数量上以蓝藻门中的席藻为主,在生物量上则以硅藻门、绿藻门和蓝藻门为主,其中硅藻门浮游植物平均占总浮游植物生物量的46.8%,是浮游植物异常增殖的主要门类;硅藻门中,主要是针杆藻、小环藻、曲壳藻和直链藻这4个种属占优,特别是针杆藻和小环藻,平均占硅藻总生物量的51.6%和21.4%;较深的水体,利于硅藻成为主要优势藻门;较大的水库流域库容比和较高总磷水平会导致水库营养水平和叶绿素浓度增加,促进浮游植物从硅藻门向绿藻门、蓝藻门演替,增加藻类危害的风险.因此,对于该地区水库,需要加强流域管理,并且针对水库自身的特点,包括水深、流域库容比等,确定其特定的富营养化控制策略,从而减少硅藻等藻类水华发生的风险,提升水源地水质安全保障能力.     

“稀释置换”对海河浮游植物群落结构的影响

该研究于2015年夏季蓝藻暴发期对海河干流浮游植物群落结构特征进行调查分析,并以此为基础评价海河干流水域的营养水平及水质污染类型。研究结果表明:4次调查共鉴定浮游植物6门56种(属),其中绿藻门29种(属),蓝藻门13种(属),硅藻门8种(属),甲藻门、裸藻门、隐藻门各2种(属),主要优势种为蓝藻门的微囊藻、巨颤藻、小席藻和色球藻。浮游植物的平均丰度为15 319.4×104个/L,蓝藻门种类对总平均丰度的贡献为95.67%;浮游植物平均生物量为17.87 mg/L,蓝藻门占总平均生物量的53.31%;海河浮游植物丰度和生物量的分布呈现一致性,从上游至下游呈先升高后降低的趋势。依据浮游植物丰度及3种浮游植物群落指数评价结果表明,海河干流水域的水体均为重度富营养化状态,污染状态为中污型。比较分析结果表明:采用不定期、小水体地稀释置换已暴发蓝藻水华的海河干流水体这一应急处置蓝藻水华方式,未对海河浮游植物群落结构、营养状态及污染水平产生本质上的影响。     

利用流式细胞仪分选技术研究湖泊真核超微藻的遗传多样性

利用流式细胞仪分选技术及PCR、构建基因克隆库的方法初步调查了冬季太湖、玄武湖、紫霞湖真核超微藻的遗传多样性及影响因子,以揭示3个湖泊真核超微藻的差异,更全面地了解不同湖泊浮游藻类的群落结构.结果表明不同湖泊真核超微藻多样性存在明显差异,玄武湖以隐藻(Cryptophyta)为主,紫霞湖优势种为隐藻,还有少量金藻(Chrysophyta),太湖真核超微藻多样性较为丰富,有金藻、隐藻、硅藻(Bacillariophyta)、绿藻(Chlorophyta),且不同湖区也有差异.梅梁湾N2点以金藻为主,贡湖湾N4点隐藻、硅藻、绿藻数量相当,但发现较多真菌,靠近大湖区的W2点多样性最为丰富,4种藻均有发现.不同湖泊真核超微藻多样性与环境因子的冗余分析表明,总磷含量与其多样性显著相关.     

用CARIX工艺去除饮用水中硝酸盐的改进研究

针对硬度低而硝酸盐含量高的原水,采用阴离子交换柱研究了用改进型ＣＡＲＩＸ工艺提高了对于下水中硝酸盐的去除,除盐过程中,水中硝酸根和硫酸根等阴离子被碳酸氢根离子置换;再生阶段,用二氧化碳和氧化镁粉末,使树脂转变为重碳酸盐型。     

应用X射线吸收近边结构谱研究东北农耕土壤中的氯种态及含量

建立了应用X射线吸收近边结构谱(XANES)测定土壤中氯种态及含量的方法并应用该方法对东北地区3种典型农耕土壤(黑土、沼泽土和暗棕壤)进行了分析.本研究以氯化钠、3-氯丙酸以及氯酚红这3种模型化合物谱图作为标准谱图,采用最小二乘法拟合进行定性分析,用一系列不同浓度氯化钠标准谱在2854.80 eV的绝对荧光强度和氯元素浓度线性关系做定量总氯浓度.方法检出限为2 mg·kg-1,相对标准偏差为0%~5%(n=5),回收率为77%~133%.结果表明,研究区土壤总氯含量均值为19 mg·kg-1,其中有机氯平均相对含量高达61%,是无机氯浓度的1~2倍.不同类型土壤中总氯、无机氯和有机氯含量趋势皆为:沼泽土>暗棕壤>黑土.结果表明,XANES法可以无损、全面地测定真实土壤样品中的氯种态及含量,将为进一步研究氯素的地球化学循环提供一定的基础数据.     

不同结构芳香酸对厌氧颗粒污泥特性与微生物群落的影响

以苯甲酸（BA）、邻苯二甲酸（PA）、连苯三甲酸（HA）、1-萘甲酸（1NA）为研究对象,探究了不同结构芳香酸对厌氧颗粒污泥理化特性与微生物群落的影响.结果表明,在40 d的接触实验中,1NA实验组对溶解性化学需氧量（SCOD）的去除率为86.09%,与空白对照组相比降低了7%.4个实验组污泥疏松胞外聚合物（LB-EPS）和紧密胞外聚合物（TB-EPS）中多糖含量分别比对照组高0.30~1.28、0.19~1.03 mg·g^-1,蛋白含量分别提高了0.025~0.326、0.007~0.171 mg·g^-1.在LB-EPS三维荧光（EEM）光谱中,HA和1NA实验组中出现了类腐殖酸物质荧光峰,且辅酶F₄₂₀峰强度有所降低.对于酶活性而言,HA、1NA实验组乙酸激酶相对活性比对照组减少了65.26%、6.93%.通过高通量测序发现,对照组与实验组中的优势菌群均为Proteobacteria、Chloroflexi和Firmicutes.HA与1NA的加入降低了Actinobacteria的相对丰度,提高了Bacteroidetes和Synergistetes的相对丰度.对于古细菌而言,Methanothrix在对照组与实验组中为优势种属,其相对丰度达到49.95%~80.40%;但实验组Methanothrix的相对丰度减少了10.69%~30.45%,且1NA实验组尤为明显;而1NA的加入提高了Methanospirillum的相对丰度,达到34.08%.同时,细菌和古细菌代谢通路预测表明,其主要功能组为代谢、遗传信息处理、环境信息处理和细胞过程,芳香酸使得厌氧颗粒污泥中氨基酸的代谢功能有所增强.     

五种红树植物根区原位溶解性有机物(DOM)浓度及其荧光构成分析

红树植物对根际微生物群落产生影响,应与其根区微域中的溶解性有机物(dissolved organic matter,简称DOM)密切相关.采用总有机碳(TOC)分析仪和三维荧光分析法对5种主要红树植物建群种的DOM浓度和组分进行原位采样与测定.根际土和非根际土孔隙水DOC的总平均值分别为207.87 mg·L-1、144.51 mg·L-1.从三维荧光光谱图及荧光特征值r和荧光指数FI判断,根际土中有机物浓度及成分均大于非根际土中,根际土孔隙水DOM的内源性较非根际土中强,外源输入的腐殖酸量大于富里酸量.     

蒸馏-乙基化GC-CVAFS法测定天然水体中的甲基汞

建立了一种基于蒸馏-乙基化结合气相色谱(GC)-冷原子荧光(CVAFS)测定天然水体中甲基汞的分析方法.水样中甲基汞经蒸馏后与四乙基硼化钠反应生成挥发性的甲基乙基汞,由氮气吹扫捕集于Tenax管,然后由GC-CVAFS测定.该方法的回收率为88.2%～108.4%,平均相对标准偏差为5.4%.45mL水样测定的最低检出限为0.009ng/L.     

新疆鸟类和哺乳动物物种丰富度空间异质性及其多尺度效应

基于新疆维吾尔自治区鸟类和哺乳动10km×10km物种空间分布数据及1km×1km土地利用数据,引入NDVI、海拔和地理纬度等辅助数据,分别对物种和土地利用数据进行尺度变换,计算分析了1~10km尺度下的景观指数,并进一步在生态系统层面进行尺度效应研究,以探究表征物种多样性空间异质性的合理尺度.结果表明：新疆总体的景观类型较为丰富,北疆的景观丰富度和破碎度都相对高于南疆,并且各类型斑块分布不均匀,景观中存在具有优势度的斑块.鸟类在聚落、水体和湿地生态系统中的尺度效应明显,而哺乳动物的尺度效应在农田、森林生态系统比较显著.7~10km尺度下,聚落景观面积越小,分割度越高,水体景观越破碎,越离散,形状越复杂,鸟类丰富度越高.农田和森林生态系统的景观特征对哺乳动物丰富度具有较高的参考价值.7~10km下,农田斑块越离散、形状越复杂,哺乳动物物种丰富度越低;4km尺度下,森林景观斑块形状越复杂、连接度越高,哺乳动物物种越丰富.     

Effects of duckweed (Spriodela polyrrhiza) remediation on the composition of dissolved organic matter in effluent of scale pig farms

The swine effluent studied was collected from scale pig farms, located in Yujiang County of Jiangxi Province, China, and duckweed (Spriodela polyrrhiza) was selected to dispose the effluent. The purpose of this study was to elucidate the effects of duckweed growth on the dissolved organic matter composition in swine effluent. Throughout the experiment period, the concentrations of organic matter were determined regularly, and the excitation–emission matrix (3DEEM) spectroscopy was used to characterize the fluorescence component. Compared with no-duckweed treatments (controls), the specific ultra-violet absorbance at 254 nm (SUVA₂₅₄) was increased by a final average of 34.4% as the phytoremediation using duckweed, and the removal rate of DOC was increased by a final average of 28.0%. In swine effluent, four fluorescence components were identified, including two protein-like (tryptophan, tyrosine) and two humic-like (fulvic acids, humic acids) components. For all treatments, the concentrations of protein-like components decreased by a final average of 69.0%. As the growth of duckweed, the concentrations of humic-like components were increased by a final average of 123.5% than controls. Significant and positive correlations were observed between SUVA₂₅₄ and humic-like components. Compared with the controls, the humification index (HIX) increased by a final average of 9.0% for duckweed treatments. Meanwhile, the duckweed growth leaded to a lower biological index (BIX) and a higher proportion of microbial-derived fulvic acids than controls. In conclusion, the duckweed remediation not only enhanced the removal rate of organic matter in swine effluent, but also increased the percent of humic substances.