浮游植物是水生态系统中的初级生产者和溶解氧供应者，是水体中食物链和食物网的基础，维持着水生态系统的平衡和健康^{[1, 2]}。水环境的变化(尤其是温度和营养盐的变化)会直接影响浮游植物的生物量及群落结构^[3]。目前，随着水体富营养化问题日趋严重，已出现敏感型浮游植物种类大量消失，多样性指数减小，群落结构趋于简单，水质下降等问题^[4]。利用浮游植物评价水体营养水平已受到国内外广泛重视^[5]。

水体富营养化引起的蓝藻水华是全球关注的重要环境问题^[6]。最常见的是微囊藻水华，在生长和分解过程中能产生具有危害的微囊藻毒素(microcytins,MCs)和挥发性的异味代谢产物。目前研究较多的藻源异味物质是2-甲基异茨醇(MIB)、土嗅素(geosmin)、β-紫罗兰酮(β-ionone)和β-环柠檬醛(β-cyclocitral)^{[7, 8]}。异味的产生，导致饮用水质下降，增加了处理成本，对渔业经济造成不可估量的损失，也对风景区的美学价值带来负面影响^[9]。我国的巢湖、东湖、滇池、太湖都发生过水体异味事件，导致当地饮用水危机^{[10, 11, 12, 13]}。由于水体异味生物源广泛、生物活动周期长和产异味类群定位困难，特别是藻源异味，在水环境评价及水处理中已受到关注。

汾河太原河段集休闲、度假、观光旅游为一体，是一个以“人、城市、生态、文化”为主题的大型公园，目前全长 12 km，宽500 m，占地600 hm^{2[14, 15]}。2011年，该河段曾爆发罕见的大面积蓝藻水华，污染水域长达数公里，尤以迎泽大桥到南内环桥段最严重。因此，本文以这段水体为研究对象，分析了其浮游植物群落结构的时空变化，对其富营养化状况进行评价，并分离纯化水体中的微囊藻细胞，对其产异味物质进行分析，以期为汾河太原河段富营养化调控和水华防治提供依据。

2012年7月3日和26日、10月9日和26日，在山西省太原市汾河迎泽大桥和南内环桥段设采样位点(图 1)，共采样4次。

图 1 汾河太原河段采样点分布示意图 Fig.1 Distribution of sampling sites in the Taiyuan region of the Fenhe River

图选项

按照有关文献^[16]采集样品。定量样品采集水样l000 mL，放入贴有标签的标本瓶中，加入l5 mL鲁哥氏剂(Lugol′s)现场固定，在室内静置48 h，再浓缩至30 mL，摇匀后，取0.1 mL浓缩水样于浮游生物计数框中，在10×40倍光学显微镜下计数^{[17, 18]}。定性样品采集用25号浮游生物网在水体中采集多次，置于两个50 mL采样瓶中，其中一个采样瓶中加入少量的福尔马林固定，用于种类鉴定，另一个采样瓶中为活体水样，带回实验室后，采用经典的毛细管法，即巴斯德吸管制作的毛细管(Pasteur Micropipette)在解剖镜下挑取单个微囊藻群体，ddH₂O清洗6—8次，最后放入含有2 mL MA培养基^[19]的24孔培养平板中培养，4—5周便可得到单克隆藻种。纯化后的微囊藻藻种编号分别为FH0001、FH0002、FH0003、FH0004、FH0005、FH0006、FH0007、FH0008，保存于山西大学生命科学学院藻种库中。

Margalef多样性指数^{[20, 21]}为 D = (S-1) / lnN，式中S为种类数，N为个体数;D值越大水质越清洁:0—1为重度污染，l—2为严重污染，2—4为中度污染，4—6为轻度污染，大于6为清洁水。

Shannon-Wiener多样性指数^{[20, 21]}为 H = -∑ (n _i/ N) ln (n_i / N)，式中，H值越大水质越清洁:0—1为重污染，1—3为中污染，大于3为轻污染或无污染。

Pielou均匀度指数^{[20, 21]} J = H / lnS ,式中，H为Shannon-Wiener多样性指数，S为种类数;求得浮游植物的均匀度指数J值0—0.3为重污染，0.3—0.5为中污染，0.5—0.8为轻污染或无污染。

优势度的计算方法按照Mcnaughton优势度指数^{[20, 21]} Y = n_i / N×f_i ,求得浮游植物优势度指数,式中n_i为第i种的个体数，N为站位中浮游植物总个数，fi为第i种在各站位中出现的频率。

微囊藻藻株产生的异味物质通过顶空固相微萃取-气象色谱法(HS-SPME-GC)测定^[10]。准确吸取处于对数生长期的微囊藻藻液3 mL于25 mL棕色螺口瓶中，补充超纯水至10 mL，加入3.0 g经550 ℃烘烤6 h的NaCl和一个小的磁力搅拌器转子，将棕色螺口瓶置于磁力搅拌器上60 ℃水浴预热15 min，搅拌器转子转速调为500 rpm/min，固相微萃取装置固定于螺口瓶上方，将萃取头插入瓶内部顶空萃取45 min，萃取结束后将萃取头拔出，立即插入GC进样口中进行解吸附与GC分析。

分析所用仪器为GC-2014C气相色谱仪，FID检测器(岛津，日本)，毛细管色谱柱为GL TC series Wonda Cap 5(0.25 mm×30 m×0.25 μm)，固相微萃取(SPME)装置、65 μm聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯涂层纤维(PDMS/DVB)萃取头和25 mL带PTFE涂层硅橡胶垫的棕色螺口瓶均为Supelco^®(Sigma-Aldrich公司，美国)产品。β-环柠檬醛(β-cyclocitral)和β-紫罗兰酮(β-ionone)标样购自Sigma-Aldrich 公司，Geosmin标准品(100 μg/mL)和 2-MIB标准品(2-甲基异茨醇，100 μg/mL)为美国Supelco^®Sigma-Aldrich 公司试剂，NaCl 为分析纯(上海国药)。

GC的分析条件^[10]：载气高纯为高纯N₂(≥99.99%)，恒压150 KPa；H₂恒压45 KPa，空气恒压40 KPa；无分流进样(splitless)模式，进样口温度250 ℃，FID检测器270 ℃，毛细管柱温度程序为60 ℃，200 ℃，，2 min。

通过对采集样品的观察，共鉴定出浮游植物126种，隶属于6门65属，区系组成主要以绿藻、硅藻、蓝藻为主，其中绿藻门种类最多，有25属57种，占总种数的45.0％，其次为硅藻门，有26属40种，占总种数的31.7％，蓝藻门有9属20种，占总种数的15.9％，其它门种类相对较少，裸藻门2属5种，甲藻门2属2种，隐藻门1属2种，共占总种数的7.4％。

根据样点中浮游植物出现的频率和相对丰度，以优势度Y>0.02来界定优势种。经计算，两个样点7月份的优势种为蓝藻门的微小平裂藻(Merismopedia tenuissima)、不定微囊藻(Microcystis incerta)，硅藻门的尖针杆藻(Synedra acus)，绿藻门的四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)、美丽网球藻(Dictyosphaerium pulchellum)和甲藻门的微小多甲藻(Peridinium pusillum)，10月份的优势种为蓝藻门的微小平裂藻、阿氏浮丝藻(Planktothrix agardhii)、两栖颤藻(Oscillatoria amphibia)，硅藻门的尖针杆藻，绿藻门的四尾栅藻和隐藻门的啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa)。

浮游植物细胞密度是反映水体富营养化程度的重要指标。2012年7月份和10月份迎泽桥段浮游植物平均细胞密度分别为188.28×10⁶ 个/L和58.66×10⁶ 个/L，南内环桥段浮游植物平均细胞密度分别为83.78×10⁶ 个/L和65.99×10⁶ 个/L。从表 1可以看出，7月份和10月份，迎泽桥段和南内环桥段，均以蓝藻门细胞密度最大，占总量的50％以上。7月初白天气温在26 ℃以上，迎泽大桥段和南内环桥段浮游植物细胞密度高达194.30×10⁶ 个/L和105.40×10⁶ 个/L，而10月底气温已降到13 ℃左右，浮游植物细胞密度也降低，为56.81×10⁶ 个/L和37.57×10⁶ 个/L。

浮游植物多样性对于群落结构的稳定性起着重要作用，它反映了群落特有的物种组成和个体密度特征，与物种丰富度和均匀度指数密切相关^{[22, 23]}。Margalef多样性指数D值介于2.04—2.68之间，7月份平均值为2.26，10月份平均值为2.60。Shannon-Wiener多样性指数H值介于0.49—1.00之间，7月份平均值为0.85，10月份平均值为0.69。Pielou均匀度指数J值介于0.13—0.26之间，7月份平均值为0.23，10月份平均值为0.18。

对分离纯化的微囊藻挥发性异味物质的检测结果表明，8株微囊藻中有6株(FH0001、FH0002、FH0003、FH0004、FH0005、FH0006)可产生明显的异味。经过嗅味判断及与常见异味种类标准品的比对，确定这6株微囊藻产生的异味物质主要为β-环柠檬醛(β-cyclocitral)，其他三类淡水水体常见的异味物质(Geosmin，2-MIB 和β-紫罗兰酮)均未检出。GC的分析结果显示，6株产异味微囊藻的主要挥发性物质具有同β-环柠檬醛标样一致的色谱学行为。在上述分析条件下其色谱主峰的保留时间与β-环柠檬醛标样相同(图 2)。结合对藻株气味的嗅味判别(烟草味)可以确定这些微囊藻藻株产生的主要异味物质为β-环柠檬醛。

图 2 微囊藻藻株溶解性异味化合物与其标准样品的气相色谱图 Fig.2 Gas chromatography(GC)chromatograms of soluble compounds in Microcystis strains and the standard sample

图选项

浮游植物是水体主要的初级生产者，其群落结构组成和分布对水生态环境起着重要的指示作用，而浮游植物群落结构、优势种类及其变化反映了水体的富营养化程度^{[24, 25, 26]}。一般认为，蓝藻为优势类群指示水体呈富营养化状态，绿藻为优势种指示水体呈中营养化状态，而硅藻为优势种显示水体呈贫营养化状态^[1]。2012年7月和10月共4次调查结果表明，汾河太原河段水体浮游植物以绿藻、硅藻、蓝藻为主，绿藻种类最多，硅藻和蓝藻次之，但蓝藻门细胞密度最高，占绝对优势，表明该区段水体已呈富营养化状态。这和之前对该区段的调查结果相似^{[15, 27]}。在两个季节中优势种群也有一定的变化，7月份除了蓝藻门、绿藻门、硅藻门的一些种类为优势种外，甲藻门的微小多甲藻也为优势种，而10月份隐藻门的啮蚀隐藻成为了优势种。钱奎梅等^[28]运用浮游植物优势种和生物量的变化研究了太湖富营养化进程。对汾河景区水体富营养化的进一步研究中，也可运用浮游植物优势种和生物量的变化进行调查。

由藻源异味物质引起的水体异味问题已经成为了严重的环境问题，饮用水和水产品中的异味物质也逐渐受到人们的重视，因此，对水体尤其是饮用水源的环境监测变得非常重要。异味包括嗅觉异味和味觉异味，其中嗅觉异味包括土霉味(earthy/musty/moldy)、芳香味(fragrant/vegetable/fruit/flowery)、草木味(grassy/hay/straw/woody)、鱼腥味(fishy/rancid)、沼气味(marshy/swampy)、化学药品味(chemical/hydrocarbon)、氯化物味(chlorineous/ozonous)及药味(medicinal/phenolic)等8类^[29]。水体中藻类产生的异味性次生代谢物种类繁多，最常见的是具有土霉味的2-甲基异莰醇(2-methylisobomeol，2-MIB) 和土嗅素(geosmin，GSM)，此外，还有β-环柠檬醛(β-cyclocitra1)、 β-紫罗兰酮(β-ionone)、香叶基丙酮(neryl acetone)和2，4-癸二烯醛(2,4-decadiena1)等^[30]。Juttner的研究表明，β-环柠檬醛主要是由微囊藻所产生，在发生微囊藻水华的水体中，会有高浓度的β-柠檬醛存在^[31]。李林等研究表明，武汉大莲花湖β-环柠檬醛与微囊藻日变化显著相关^[32]。本研究发现，6株微囊藻产生的异味物质均为β-环柠檬醛，这种异味物质可能会给汾河太原河段造成嗅味问题，进而影响该段的整体水质^{[29, 33]}。

浮游植物生物多样性指数是湖泊水质监测的重要指标，广泛应用于水体环境质量评价中^{[26, 34]}。浮游植物的优势种和细胞密度通常也可以反映水体的富营养化程度。蓝藻多是耐污性比较强的种类，其细胞密度急剧增加并最终成为优势类群是水体富营养化的重要表征之一，即蓝藻细胞密度越高，水体富营养化程度越严重^[35]。

本文的研究数据显示，汾河太原河段浮游植物Margalef多样性指数D值较低，指示水体为中度污染，Shannon-Wiener多样性指数H值介于0—1之间，表明浮游植物群落结构简单且不稳定，对环境变化敏感，为重污染水体，Pielou均匀度指数J值介于0—0.3之间，表明浮游植物群落中各物种个体数目分配不均匀，优势种明显，为重污染水体。综合分析，汾河景区段水质为中度污染至重污染。据有关文献，浮游植物细胞密度小于30×10⁴ 个/L时水体为贫营养型，30×10⁴ —100×10⁴ 个/L时为中营养型，大于100×10⁴ 个/L时为富营养状态^[36]。2012年7月和10月，汾河景区段的浮游植物细胞密度均大于100×10⁴ 个/L，并且蓝藻门的细胞密度最大，占总量的50以上，表明水体为富营养状态。出现这种情况的主要原因是由于气温的升高，上游生活污水和工业废水的排入，导致景区水自净能力降低，水质恶化，水体富营养化程度加重。

致谢： 中国科学院水生生物研究所李仁辉研究员对本文写作给予帮助,中国科学院武汉植物园王中杰助理研究员完成对异味物质的测定，特此致谢。