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玻璃屋中的精灵——硅藻


□ 玻璃屋中的精灵——硅藻

  李亚蒙①夏晓飞②刘海明②

  在地球上任何有水的地方,你都有可能找到这种单细胞水生藻类——硅藻。硅藻因具有由二氧化硅和水分子组成的硅质细胞壁而得名。不过,要想看到它们,你还需要一台显微镜,因为它们实在太小了;直径一般只有0.01—0.2毫米,因此直至1703年,一位不知名的英国绅士才第一次通过一台简易的显微镜在浮萍的根上发现了它。在光学显微镜下,你能看见活体硅藻细胞的核、液泡和板状、盘状及颗粒状的色素体,色素体中含有叶绿素、胡萝卜素和黄色的硅藻素;经强氧化剂(如过氧化氢)去除细胞有机质后,硅质细胞壁上的花纹便清晰地显现出来。在扫描电子显微镜下,硅藻的细节更加清晰,你可以看到形如一组培养皿般嵌合在一起的两半细胞壁,分别叫做上壳和下壳,这也是其英文名diatom的由来——“dia”是希腊语“穿过”的意思,而“tom”是希腊语“切开”的意思,合起来就是“切成两半”。

  世界上有超过1.6万种硅藻,新种还在不断被发现。传统的分类方法将硅藻门划分为两个纲,中心对称(圆盘状或圆柱状)的一类硅藻叫做中心纲,两侧对称(羽状或舟状)的一类叫做羽纹纲。目前国际上一般将其分为3个纲,据其中央壳缝的有无将原来的羽纹纲进一步划分为无壳缝纲和壳缝纲。

  硅藻死亡后,因其硅质壳体不易被腐蚀破坏,沉积下来后就形成了硅藻土。硅藻土疏松多孔,不仅在工业上用途广泛,可用于生产保温材料、填料、助滤剂、添加剂、催化剂等,而且在科研领域还是一种重要的古环境指示物。

  最早的化石硅藻记录来自下侏罗统,而完全硅质化的化石来自白垩系,在新生代地层中也大量存在。硅质壳体的出现可能与当时大气中氧气浓度下降有关,透明的硅质壳体可以汇聚光线、提高光合效率。现在,硅藻提供了全球约五分之一的初级生产力,在全球碳循环和硅循环中起到了非常重要的作用。

  同地球上其他的动植物一样,硅藻的生长繁殖受多种因素限制,主要包括:物理因素,如温度、光照、湍流、冰覆盖量等;化学因素,如养分、pH值(酸碱度)、溶解有机碳、盐度等。因此每一种硅藻都有其最适宜的生活环境,有的生活在热带水域,有的生活在寒冷的冰下;有的喜欢酸性水,有的喜欢碱性水;有的漂浮在水体表层随波逐流,有的则附着在其他大型水生植物或沙石的表面。据此可以设想,如果某一水体中的硅藻种群结构是已知的,我们就可以反推出水体的大概环境,如水温、水深、pH值和营养化程度。硅藻学家们已分析了很多湖泊河流中的硅藻类群以及水体的理化性质指标,并开发出很多硅藻一环境数据库,将硅藻的丰度与水质指标,如总氮、总磷、pH值等联系起来,用于定量评估水质盐度、污染程度等,也可用于推测化石硅藻沉积时期的古环境和古气候。

  有“华北明珠”之称的白洋淀位于河北省中部,距离北京市、天津市、石家庄市分别为162、155和189公里,丰水期面积366平方公里,是华北地区最大的淡水湖泊。白洋淀景色秀丽,夏可赏荷,冬可溜冰,具有极高的旅游开发价值。由于沟渠纵横、芦苇丛生,这里的小生境复杂多样,为多种水生动植物提供了良好的栖息地,宽阔的水面对周边小气候也有着重要的调节作用。

  为了调查白洋淀中不同水体环境下硅藻组合的差异,我们在白洋淀景区内、村庄旁、入库河道、鱼塘、荷塘、渡船河道等不同水域内采集了水样,并对其中的硅藻类群组合进行了分析。 分析结果表明,不同小生境下的硅藻类群组合是有很大差别的。例如,在白洋淀东北部景区水域,水面开阔且游船往来频繁,水体扰动较大,以浮游类型的梅尼小环藻为主;在污染严重的入库河道唐河和府河岸边,水流较缓,以反映高有机质含量的附生型半裸具席藻和蓝绿舟形藻为代表;在村落附近的水域,生活垃圾等污染物较多,这里的谷皮菱形藻、偏肿美壁藻和半裸具席藻均指示了较高的水体有机质含量;在端村通往任丘市方向的主航道上,水体扰动较大,壳体密度较大、需要水体湍流提供悬浮力的颗粒沟链藻的出现反映了这一状况;在荷塘内,大型水生植物丰富,两种喜微碱性水体的附生硅藻——弯棒杆藻和扁圆卵形藻——大量出现;而在大型鱼池附近,常见于富营养碱性水体中的底土附生类型线形菱形藻大量出现,这可能与水底生物的扰动有关。

  在自然相连的水体中,由于空间异质性导致小生境不同,硅藻的群落结构、种群密度产生了较大差异。对现代硅藻类群及其生境进行研究,不仅有利于实时监测水体酸碱度和富营养化程度,还有利于恢复重建化石硅藻沉积时期的古环境和古气候。

  (作者单位:①首都师范大学;②北京自然博物馆)

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摘自:大自然 2011年第03期  
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