基本介紹
- 中文名：硅藻類
- 外文名：diatom
- 外形：大多有美麗花紋，圓形
- 生存範圍：淡水或海水中
- 特性：細胞壁含有矽酸
- 作用：餌料、提取生物活性物質等
簡介,硅藻的基本形態特徵及在原水中的生長規律,硅藻種類多樣性,海洋硅藻的作用,硅藻在碳循環中的作用,硅藻矽質殼及作用,硅藻餌料,硅藻生物活性物質,硅藻生物質能,硅藻赤潮,水處理工藝中的硅藻風險,硅藻對水廠處理工藝的影響,濾池對藻類的去除效果,硅藻在水質監測中的指示作用,營養狀況,水體酸化,污染物,
簡介
硅藻作為一種光合自養真核藻類，是水生態系統中重要的初級生產者，反映了水環境的平均狀況。作為環境的指示生物，普通菱形藻、小舟形藻、極小異極藻均能指示水體富營養化狀況，窄異極藻、結膜窗紋藻、念珠等片藻能反映出水體的貧營養狀況; 廣緣小環藻、細紋長蓖藻、短縫藻能反映水體的酸度；腫節曲殼藻能指示水體中的Cu含量，肘狀針桿藻能反映水體中的Zn濃度; 其他硅藻種類亦能反映水體的受污染程度。
硅藻的基本形態特徵及在原水中的生長規律
硅藻是一類細胞壁矽質化程度高的單細胞植物，目前發現的的種類有一百多萬種，數目眾多。硅藻在食物鏈中屬於初級生產者，在水生生態系統中起著十分重要的作用。硅藻細胞壁具有的特殊瓣片結構及矽質（主要成分是二氧化矽）屬性，對細胞內的物質具有非常好的機械保護作用，因此硅藻細胞在環境中的耐受力極強。按照運動方式，硅藻分為游離型和固著型。硅藻細胞壁中含有的矽質成分加大了藻體的密度，藻體沉降係數較大，游離硅藻在水體中需藉助水流浮動。其適宜的水體流速為0.05-2.5 m·s-1；體型大的硅藻藻種通過進化過程中對矽殼的薄化，適應特定流速的水體。硅藻分為中心綱和羽紋綱，中心綱硅藻細胞呈圓盤形或彭形，羽紋綱硅藻呈長形或舟形。按照生活環境可分為海洋硅藻和淡水硅藻。硅藻的用途很多，如幼體作為魚、蝦、貝類的餌料，形成硅藻土，在納米技術方面也有套用。但是，其過量生長，會帶來危害。
海水中的硅藻容易引起海雪，赤潮，對漁業及其水產動物帶來危害；淡水中硅藻對人類活動的影響主要是造成自來水廠濾池堵塞。其中，中心綱硅藻細胞呈圓盤形或彭形，細胞長度和直徑均較小，引起水廠濾池堵塞的報導較少；羽紋綱硅藻呈長形或舟形，細胞細長，據報導，近年來引起自來水廠濾池堵塞的硅藻多為羽紋綱針桿藻屬細胞。
硅藻種類多樣性
海洋中生活著多種多樣的浮游植物，其中種類多樣化程度最高的浮游植物是硅藻。據估計海洋中有200 000種不同的硅藻種類，大小從幾微米到幾毫米不等，存在形式則包括單細胞或多細胞連線的鏈狀群體。然而，目前已被記錄的地球上的硅藻種類估計只有11 200種，其中中心綱約3 500種，羽紋綱約7 700種。因此，我們對海洋硅藻種類多樣性的認識還非常有限。
海洋硅藻的作用
硅藻在碳循環中的作用
硅藻是海洋有機物的主要生產者，地球上大約五分之一的光合作用是由硅藻這種微型的真核藻類來完成的；而海洋中每年500億～ 550億t的有機碳固定中，海洋硅藻貢獻了40%；海洋硅藻光合作用每年產生的有機碳和地球上所有的雨林產生的有機碳相當。因此硅藻在全球碳循環中起著非常重要的作用，由於硅藻在全球碳循環中的關鍵作用，目前已有計畫通過施加鐵離子促使海洋大片地區產生大面積硅藻水華以降低大氣中的溫室氣體二氧化碳的水平，但該計畫尚存在爭議。
硅藻矽質殼及作用
硅藻最顯著的特點之一是它們美麗的矽質細胞壁(SiO2·nH2O)或矽質殼。硅藻通過吸收以矽酸形式溶解在海水中的矽來建立自己的細胞壁，硅藻控制了全球海洋中的矽生物循環，可以說，平均每一個進入海洋的矽原子都會被硅藻吸收到細胞壁上39次，之後才會沉降在海底。來自死亡硅藻的細胞壁可以作為巨大的矽質礦藏積累在海床上，厚達1 400 m，由此產生的硅藻土(含有82.3%的氧化矽)由於具有質輕、多孔、高強、耐磨、絕緣、絕熱、吸附及化學穩定等一列優良性能,而廣泛套用於冶金、化工、電力、農業、化肥、建材保溫製品等行業。另一方面，硅藻細胞壁的三維結構已引起了納米材料研究者的興趣，因為硅藻精細的矽質殼可用於建立納米技術的硅藻-金屬模型，同時也引起了人們對硅藻矽吸收與矽合成相關基因和蛋白的興趣。
硅藻餌料
硅藻是水生動物直接或間接的餌料對象，有了硅藻，海洋中的甲殼動物、軟體動物、魚類以及哺乳類動物才能生長和繁殖，它們又可轉為人類的食品和日用品。因此，硅藻與漁業資源、水產養殖、環保、地質等密切相關，有些硅藻甚至可作為海洋捕撈業的指標。
硅藻生物活性物質
海洋硅藻細胞本身富含具有重要營養和醫療保健作用的不飽和脂肪酸、多糖、類胡蘿蔔素等生物活性物質，已被認為是種類不斷增多的生物活性物質的最佳生產者。目前已發現的生物活性物質包括抗菌物質(如脂肪酸EPA、多糖、肽類等)、酶抑制劑、毒素等。硅藻是產多不飽和脂肪酸的主要類群，有望代替目前的深海魚油，因此，硅藻在醫藥、食品、水產養殖等領域是一重要資源生物，具有很大的開發潛力。
硅藻生物質能
硅藻在海洋環境中的繁殖力很強，含有大量的蛋白質、脂類和碳水化合物，其有機成分相當高。這些高度有機化的浮游硅藻被水中微生物的活動所降解，並且隨後由於埋藏成岩作用期間受適度溫壓的影響而經過腐殖質變成了不溶解的乾酪根，因此硅藻被認為是乾酪根來源的最重要的新生代浮游植物。而乾酪根是礦化石油的主要母質，因此硅藻是石油勘探的重要指示生物，在實際工作中不僅可以利用硅藻種類組成和生物量，也可以利用其生物標誌物(如藿烷、甾烷、類異戊二烯類化合物)作為石油勘探的指標，另一方面，利用硅藻脂肪含量較高的特點，通過硅藻的大量培養和油脂的提取，有望利用硅藻進行生物質燃油的生產。
硅藻赤潮
硅藻既是重要的海洋生物資源，又是赤潮的肇事者。海洋硅藻是產生赤潮的主要原因種之一，一些種類如擬菱形藻(Pseudo-nitzschia)還可以產生藻毒素,對海洋生態環境、水產養殖和人類健康造成危害。
綜上，海洋硅藻不僅在海洋生態系統中起重要的作用，而且是重要的生物資源，與人類活動息息相關，而海洋硅藻多樣性研究是對海洋硅藻科學認識和合理開發利用的基礎。
水處理工藝中的硅藻風險
硅藻是廣泛生活在地表水源中的浮游植物。但是，含有大量硅藻的原水會對水廠淨化處理產生不利的影響，特別是引起濾池堵塞的問題。這在國內外很多水廠均有所報導。
1998年春季，韓國的Cheong Ju自來水廠出現了尖針桿藻嚴重堵塞砂濾池的現象，致使濾池反衝洗周期縮短到約5 h，期間尖針桿藻的數量達1.0×106個·L-1以上。
2004-2006年，日本橫濱某水廠曾發現原水尖針桿藻（約1-3×106個·L-1）輕易通過混凝沉澱池到達濾池，造成濾池堵塞，反衝周期縮短至2 h，濾池產水量不及反衝洗用水量。
近年來國內一些自來水廠也報導過硅藻堵塞濾池的現象。2008年秋，以黃河水作為水源的鄭州某水廠原水中針桿藻數量增加。自10月始，該水廠原水中的硅藻細胞數量達3×106個·L-1（占進廠原水藻類的75%左右）。由此導致濾池堵塞頻繁，反衝洗周期急劇縮短（最短時僅1 h），造成水廠無法正常供水，頻繁的反衝洗也增加了水耗、電耗。
2011年春季，深圳市寶安區50%以上的自來水廠原水中都出現了尖針桿藻劇增的現象。造成了濾池堵塞，過濾時間由正常運行條件下的24 h縮減至8-9 h甚至3-4 h。頻繁的反衝洗造成用水量增加，能耗大幅增加，運行成本急劇攀升。嚴重時，濾池堵塞使產水量嚴重降低，甚至出現產水為零的狀況，直接導致水廠供水癱瘓。
2011年春末，嘉陵江水重慶段硅藻暴發性生長，持續時間2周左右，期間尖針桿藻數量達2.5-3.2×106個·L-1尖針桿藻，占硅藻總數的70%～80%。以嘉陵江為水源的10多座水廠（規模合計99 萬m3·d-1）均出現硅藻嚴重堵塞濾池的現象，導致水廠不能正常產水。
2012年春季，貴陽市阿哈水庫尖針桿藻含量突然增加，且個體大，對水廠濾池造成了嚴重的堵塞。汕頭某水廠於2013年初也出現疑似原水硅藻暴發性生長引起的濾池堵塞，一些濾池完全停產。
綜上，日本、韓國及我國重慶、貴州、鄭州、汕頭、深圳等地多座自來水廠原水硅藻突然暴發性生長，大量硅藻堵塞砂濾池，並影響水廠正常生產的現象，已經較為常見，且堵塞濾池的硅藻以針桿藻為主。
問題產生時，各工藝段均受到不同程度的影響，混凝沉澱過程中礬花絮體細小、鬆散，絮體沉降困難，甚至在沉澱池上浮並裹攜大量微小氣泡。濾池表面出現的大量鬆散絮體，在過濾的負壓作用下，濾層表面形成一層緻密黏狀物質，過濾阻力明顯增加；濾池反衝洗過程中，濾層表面的大量粘稠狀物質無法有效剝離，不能被反衝洗水流帶走。這些現象與藍、綠藻暴發時，水廠工藝單元呈現出的現象不一致。硅藻與藍藻在細胞形態、結構、內含物等方面差異較大，已有的以去除藍藻為目的的技術參數和工程經驗難以直接套用於硅藻。
硅藻對水廠處理工藝的影響
硅藻增加了氧化預處理工藝的難度。尖針桿藻的細胞外壁具有類似於非晶質蛋白石或含水氧化（SiO2.n H2O）為主要成份的殼狀結構，耐氧化性強，即使在氧化預處理階段尖針桿藻細胞失去生命活性，其無機矽質外殼也難以氧化分解。
進入自來水廠的硅藻在不同程度上影響了混凝和沉澱過程。首先，尖針桿藻細胞呈長針形，對數、穩定生長期內長度可達到200-300 μm，較大的比表面積增加了其沉降阻力；藻類出現時，混凝劑投加量遠遠高於沒有藻類存在的情況。一是藻類的存在增加了濁度。混凝劑如聚合氯化鋁（PACl）可以去除濁度，藻類的升高引起濁度上升，混凝劑的用量隨之升高；再者，常見的水華藍、綠、硅藻中，硅藻較藍、綠藻需要更多的絮凝劑。
藻類的代謝有機物對混凝沉澱和過濾會產生干擾。藻類代謝產物中的酸性物質可以和混凝劑的水解產物發生化學反應，生成表面絡合物，附著在絮體顆粒表面，嚴重地阻礙顆粒的相互碰撞。再者，附著在礬花中的藻類通過光合作用產生氧氣氣泡，這些小氣泡減小了礬花的整體密度，影響了礬花下沉，甚至出現礬花夾氣上浮的情況。藻類的出現直接影響的混凝效果，使礬花的形成和長大受到阻礙，也因此降低了沉澱效果。過濾進一步去除沉澱出水中的固體顆粒和未被沉澱去除的小礬花。
濾池對藻類的去除效果
彭海清等介紹，昆明第五水廠原水藻類平均數為3.1×107個·L-1，採用微絮凝直接過濾工藝過濾藻類。濾料採用陶粒及石英砂雙層濾料，其中陶粒粒徑為2.0-2.5 mm、高為700 mm，石英砂粒徑0.6-1.2 mm、高500 mm，濾速為6-10 m·h-1，其藻類的去除率平均為96.4%。
1992年，李鏡明等報導了處理武漢東湖水的原水藻密度為2-3×105個·L-1，採用原水-預氯化-PAC微絮凝-過濾工藝，其中濾池為輻射流濾池。結果發現，輻射流過濾的除藻效果（藻類去除率89%）優於豎向流過濾（藻類去除率82%）。但對於已經運行的水廠，採用新的濾池工藝，必然會增加其基建費用。
綜上所述，到目前為止，針對硅藻暴發影響水廠正常生產的研究仍十分有限。強化氧化預處理和強化混凝沉澱是自來水廠提升應對尖針桿藻能力的主要策略。但是，目前還缺乏專門針對硅藻氧化預處理-混凝沉澱去除方面的系統性研究，如氧化劑和混凝劑的選型、投加濃度及合理組合等。對於硅藻堵塞濾池的機理和有效的技術措施缺乏深入的研究。
硅藻在水質監測中的指示作用
藻類處於河流生態系統食物鏈的始端。作為初級生產者，其生活周期短，對污染物反應靈敏，不同水體具有特定的種類組成，其群落的性質和數量會隨著水化學成分而改變，因此，常被用作水質監測和評價的重要參數。
硅藻是光合自養真核藻類，為天然水體的重要成分，可以存活在絕大多數水環境生態條件下，具有種類多、分布廣等的特點，且對水環境條件如水體溫度、p H值、電導率、營養鹽濃度等的變化極其敏感。
目前，硅藻已被廣泛套用於水體營養狀況、水體酸化以及污染物等水質監測問題的研究。
營養狀況
水體中氮、磷濃度及氮磷比對硅藻種類及豐度有顯著影響。過多的氮或過多的磷都不利於藻類生長。對佛羅里達沼澤富營養化的研究表明，著生硅藻的生物量和多樣性變化可以反映水體中氮、磷濃度的變化。硅藻能夠較好地指示水體的營養狀況。
水體酸化
酸雨、酸性廢水是河流水體酸化的主要來源。硅藻對水體p H值的反應敏感，p H值的改變會對硅藻組成產生很大影響。如近小頭羽紋藻對酸性礦山廢水的污染具有較強的耐受性，可用來作為指示種，其自養指數與pH存在顯著差異。可見，硅藻對河流水體的酸化有很好的指示作用。
污染物
重金屬污染會對硅藻的生長產生影響。對許多受金屬污染河流的研究表明，硅藻對環境退化的回響不僅只表現在群落水平上，使硅藻在優勢種和物種多樣性上發生變化，也表現在其個體水平上，如硅藻的細胞膜在形態上的變化、硅藻個體的縮減和細胞膜的變形均與水體中高濃度的重金屬相關。
研究表明，藻類對鎘和鉛的生物積累具有一定的劑量和時間效應，利用藻類不僅可以綜合反映重金屬污染狀況，還可以實現對重金屬污染的線上監測。
導致硅藻個體細胞膜變形的因素不僅僅只有重金屬污染，其他一些理化因子也能使硅藻形態發生改變，如光照強度、紫外線UV以及氰化物、多環芳烴和殺蟲劑等有毒化合物。長久以來，人們認為污染物能改變自然藻類( 特別是硅藻) 的結構和功能。有研究證明，水體中有機污染物濃度的增加，能夠導致硅藻物種數減少、細胞密度增加、多樣性和均勻度指數值降低。
