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| 硅藻类 |
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中文名:硅藻类 外文名:diatom 外 形:大多有美丽花纹，圆形 生存范围:淡水或海水中 特 性:细胞壁含有硅酸 作 用:饵料、提取生物活性物质等 |
硅藻类：藻类植物的一大类，生长于淡水或海水之中，为单细胞植物。细胞中含有叶绿素和褐色的色素，细胞壁含有硅酸。因古代的硅藻沉积于水底而形成石油和硅藻土层。 作为单细胞或群体，大量分布于淡水和海洋中，是浮游生物的重要组成部分，同时亦分布于土壤中。细胞壁含有丰富的硅(称为细胞壳)，大多有美丽的花纹，由相互扣合的两瓣组成，形似圆形药丸盒。细胞壳化石构成多孔岩石，称为硅藻土，用以制造过滤器、绝缘体、磨料等。 [1]
目录
硅藻类简介
硅藻作为一种光合自养真核藻类，是水生态系统中重要的初级生产者，反映了水环境的平均状况。作为环境的指示生物，普通菱形藻、小舟形藻、极小异极藻均能指示水体富营养化状况，窄异极藻、结膜窗纹藻、念珠等片藻能反映出水体的贫营养状况; 广缘小环藻、细纹长蓖藻、短缝藻能反映水体的酸度；肿节曲壳藻能指示水体中的Cu含量，肘状针杆藻能反映水体中的Zn浓度; 其他硅藻种类亦能反映水体的受污染程度。
硅藻类硅藻的基本形态特征及在原水中的生长规律
硅藻是一类细胞壁硅质化程度高的单细胞植物，目前发现的的种类有一百多万种，数目众多。硅藻在食物链中属于初级生产者，在水生生态系统中起着十分重要的作用。硅藻细胞壁具有的特殊瓣片结构及硅质（主要成分是二氧化硅）属性，对细胞内的物质具有非常好的机械保护作用，因此硅藻细胞在环境中的耐受力极强。按照运动方式，硅藻分为游离型和固着型。硅藻细胞壁中含有的硅质成分加大了藻体的密度，藻体沉降系数较大，游离硅藻在水体中需借助水流浮动。其适宜的水体流速为0.05-2.5 m·s-1；体型大的硅藻藻种通过进化过程中对硅壳的薄化，适应特定流速的水体。硅藻分为中心纲和羽纹纲，中心纲硅藻细胞呈圆盘形或彭形，羽纹纲硅藻呈长形或舟形。按照生活环境可分为海洋硅藻和淡水硅藻。硅藻的用途很多，如幼体作为鱼、虾、贝类的饵料，形成硅藻土，在纳米技术方面也有应用。但是，其过量生长，会带来危害。
海水中的硅藻容易引起海雪，赤潮，对渔业及其水产动物带来危害；淡水中硅藻对人类活动的影响主要是造成自来水厂滤池堵塞。其中，中心纲硅藻细胞呈圆盘形或彭形，细胞长度和直径均较小，引起水厂滤池堵塞的报道较少；羽纹纲硅藻呈长形或舟形，细胞细长，据报道，近年来引起自来水厂滤池堵塞的硅藻多为羽纹纲针杆藻属细胞。
硅藻类硅藻种类多样性
海洋中生活着多种多样的浮游植物，其中种类多样化程度最高的浮游植物是硅藻。据估计海洋中有200 000种不同的硅藻种类，大小从几微米到几毫米不等，存在形式则包括单细胞或多细胞连接的链状群体。然而，目前已被记录的地球上的硅藻种类估计只有11 200种，其中中心纲约3 500种，羽纹纲约7 700种。因此，我们对海洋硅藻种类多样性的认识还非常有限。
硅藻类海洋硅藻的作用
硅藻是海洋有机物的主要生产者，地球上大约五分之一的光合作用是由硅藻这种微型的真核藻类来完成的；而海洋中每年500亿～ 550亿t的有机碳固定中，海洋硅藻贡献了40%；海洋硅藻光合作用每年产生的有机碳和地球上所有的雨林产生的有机碳相当。因此硅藻在全球碳循环中起着非常重要的作用，由于硅藻在全球碳循环中的关键作用，目前已有计划通过施加铁离子促使海洋大片地区产生大面积硅藻水华以降低大气中的温室气体二氧化碳的水平，但该计划尚存在争议。
硅藻最显著的特点之一是它们美丽的硅质细胞壁(SiO2·nH2O)或硅质壳。硅藻通过吸收以硅酸形式溶解在海水中的硅来建立自己的细胞壁，硅藻控制了全球海洋中的硅生物循环，可以说，平均每一个进入海洋的硅原子都会被硅藻吸收到细胞壁上39次，之后才会沉降在海底。来自死亡硅藻的细胞壁可以作为巨大的硅质矿藏积累在海床上，厚达1 400 m，由此产生的硅藻土(含有82.3%的氧化硅)由于具有质轻、多孔、高强、耐磨、绝缘、绝热、吸附及化学稳定等一列优良性能,而广泛应用于冶金、化工、电力、农业、化肥、建材保温制品等行业。另一方面，硅藻细胞壁的三维结构已引起了纳米材料研究者的兴趣，因为硅藻精细的硅质壳可用于建立纳米技术的硅藻-金属模型，同时也引起了人们对硅藻硅吸收与硅合成相关基因和蛋白的兴趣。
硅藻是水生动物直接或间接的饵料对象，有了硅藻，海洋中的甲壳动物、软体动物、鱼类以及哺乳类动物才能生长和繁殖，它们又可转为人类的食品和日用品。因此，硅藻与渔业资源、水产养殖、环保、地质等密切相关，有些硅藻甚至可作为海洋捕捞业的指标。
海洋硅藻细胞本身富含具有重要营养和医疗保健作用的不饱和脂肪酸、多糖、类胡萝卜素等生物活性物质，已被认为是种类不断增多的生物活性物质的最佳生产者。目前已发现的生物活性物质包括抗菌物质(如脂肪酸EPA、多糖、肽类等)、酶抑制剂、毒素等。硅藻是产多不饱和脂肪酸的主要类群，有望代替目前的深海鱼油，因此，硅藻在医药、食品、水产养殖等领域是一重要资源生物，具有很大的开发潜力。
硅藻在海洋环境中的繁殖力很强，含有大量的蛋白质、脂类和碳水化合物，其有机成分相当高。这些高度有机化的浮游硅藻被水中微生物的活动所降解，并且随后由于埋藏成岩作用期间受适度温压的影响而经过腐殖质变成了不溶解的干酪根，因此硅藻被认为是干酪根来源的最重要的新生代浮游植物。而干酪根是矿化石油的主要母质，因此硅藻是石油勘探的重要指示生物，在实际工作中不仅可以利用硅藻种类组成和生物量，也可以利用其生物标志物(如藿烷、甾烷、类异戊二烯类化合物)作为石油勘探的指标，另一方面，利用硅藻脂肪含量较高的特点，通过硅藻的大量培养和油脂的提取，有望利用硅藻进行生物质燃油的生产。
硅藻既是重要的海洋生物资源，又是赤潮的肇事者。海洋硅藻是产生赤潮的主要原因种之一，一些种类如拟菱形藻(Pseudo-nitzschia)还可以产生藻毒素,对海洋生态环境、水产养殖和人类健康造成危害。 综上，海洋硅藻不仅在海洋生态系统中起重要的作用，而且是重要的生物资源，与人类活动息息相关，而海洋硅藻多样性研究是对海洋硅藻科学认识和合理开发利用的基础。
硅藻类水处理工艺中的硅藻风险
硅藻是广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会对水厂净化处理产生不利的影响，特别是引起滤池堵塞的问题。这在国内外很多水厂均有所报道。
1998年春季，韩国的Cheong Ju自来水厂出现了尖针杆藻严重堵塞砂滤池的现象，致使滤池反冲洗周期缩短到约5 h，期间尖针杆藻的数量达1.0×106个·L-1以上。
2004-2006年，日本横滨某水厂曾发现原水尖针杆藻（约1-3×106个·L-1）轻易通过混凝沉淀池到达滤池，造成滤池堵塞，反冲周期缩短至2 h，滤池产水量不及反冲洗用水量。
近年来国内一些自来水厂也报道过硅藻堵塞滤池的现象。2008年秋，以黄河水作为水源的郑州某水厂原水中针杆藻数量增加。自10月始，该水厂原水中的硅藻细胞数量达3×106个·L-1（占进厂原水藻类的75% 左右）。由此导致滤池堵塞频繁，反冲洗周期急剧缩短（最短时仅1 h），造成水厂无法正常供水，频繁的反冲洗也增加了水耗、电耗。
2011年春季，深圳市宝安区50%以上的自来水厂原水中都出现了尖针杆藻剧增的现象。造成了滤池堵塞，过滤时间由正常运行条件下的24 h缩减至8-9 h甚至3-4 h。频繁的反冲洗造成用水量增加，能耗大幅增加，运行成本急剧攀升。严重时，滤池堵塞使产水量严重降低，甚至出现产水为零的状况，直接导致水厂供水瘫痪。
2011年春末，嘉陵江水重庆段硅藻暴发性生长，持续时间2周左右，期间尖针杆藻数量达2.5-3.2×106个·L-1尖针杆藻，占硅藻总数的70%～80%。以嘉陵江为水源的10多座水厂（规模合计99 万m3·d-1）均出现硅藻严重堵塞滤池的现象，导致水厂不能正常产水。
2012年春季，贵阳市阿哈水库尖针杆藻含量突然增加，且个体大，对水厂滤池造成了严重的堵塞。汕头某水厂于2013年初也出现疑似原水硅藻暴发性生长引起的滤池堵塞，一些滤池完全停产。
综上，日本、韩国及我国重庆、贵州、郑州、汕头、深圳等地多座自来水厂原水硅藻突然暴发性生长，大量硅藻堵塞砂滤池，并影响水厂正常生产的现象，已经较为常见，且堵塞滤池的硅藻以针杆藻为主。
问题产生时，各工艺段均受到不同程度的影响，混凝沉淀过程中矾花絮体细小、松散，絮体沉降困难，甚至在沉淀池上浮并裹携大量微小气泡。滤池表面出现的大量松散絮体，在过滤的负压作用下，滤层表面形成一层致密黏状物质，过滤阻力明显增加；滤池反冲洗过程中，滤层表面的大量粘稠状物质无法有效剥离，不能被反冲洗水流带走。这些现象与蓝、绿藻暴发时，水厂工艺单元呈现出的现象不一致。硅藻与蓝藻在细胞形态、结构、内含物等方面差异较大，已有的以去除蓝藻为目的的技术参数和工程经验难以直接应用于硅藻。
硅藻类硅藻对水厂处理工艺的影响
硅藻增加了氧化预处理工艺的难度。尖针杆藻的细胞外壁具有类似于非晶质蛋白石或含水氧化（SiO2.n H2O）为主要成份的壳状结构，耐氧化性强，即使在氧化预处理阶段尖针杆藻细胞失去生命活性，其无机硅质外壳也难以氧化分解。
进入自来水厂的硅藻在不同程度上影响了混凝和沉淀过程。首先，尖针杆藻细胞呈长针形，对数、稳定生长期内长度可达到200-300 μm，较大的比表面积增加了其沉降阻力；藻类出现时，混凝剂投加量远远高于没有藻类存在的情况。一是藻类的存在增加了浊度。混凝剂如聚合氯化铝（PACl）可以去除浊度，藻类的升高引起浊度上升，混凝剂的用量随之升高；再者，常见的水华蓝、绿、硅藻中，硅藻较蓝、绿藻需要更多的絮凝剂。
藻类的代谢有机物对混凝沉淀和过滤会产生干扰。藻类代谢产物中的酸性物质可以和混凝剂的水解产物发生化学反应，生成表面络合物，附着在絮体颗粒表面，严重地阻碍颗粒的相互碰撞。再者，附着在矾花中的藻类通过光合作用产生氧气气泡，这些小气泡减小了矾花的整体密度，影响了矾花下沉，甚至出现矾花夹气上浮的情况。藻类的出现直接影响的混凝效果，使矾花的形成和长大受到阻碍，也因此降低了沉淀效果。过滤进一步去除沉淀出水中的固体颗粒和未被沉淀去除的小矾花。
硅藻类滤池对藻类的去除效果
彭海清等介绍，昆明第五水厂原水藻类平均数为3.1×107个·L-1，采用微絮凝直接过滤工艺过滤藻类。滤料采用陶粒及石英砂双层滤料，其中陶粒粒径为2.0-2.5 mm、高为700 mm，石英砂粒径0.6-1.2 mm、高500 mm，滤速为6-10 m·h-1，其藻类的去除率平均为96.4%。
1992年，李镜明等报道了处理武汉东湖水的原水藻密度为2-3×105个·L-1，采用原水-预氯化-PAC微絮凝-过滤工艺，其中滤池为辐射流滤池。结果发现，辐射流过滤的除藻效果（藻类去除率89%）优于竖向流过滤（藻类去除率82%）。但对于已经运行的水厂，采用新的滤池工艺，必然会增加其基建费用。
综上所述，到目前为止，针对硅藻暴发影响水厂正常生产的研究仍十分有限。强化氧化预处理和强化混凝沉淀是自来水厂提升应对尖针杆藻能力的主要策略。但是，目前还缺乏专门针对硅藻氧化预处理-混凝沉淀去除方面的系统性研究，如氧化剂和混凝剂的选型、投加浓度及合理组合等。对于硅藻堵塞滤池的机理和有效的技术措施缺乏深入的研究。
硅藻类硅藻在水质监测中的指示作用
藻类处于河流生态系统食物链的始端。作为初级生产者，其生活周期短，对污染物反应灵敏，不同水体具有特定的种类组成，其群落的性质和数量会随着水化学成分而改变，因此，常被用作水质监测和评价的重要参数。
硅藻是光合自养真核藻类，为天然水体的重要成分，可以存活在绝大多数水环境生态条件下，具有种类多、分布广等的特点，且对水环境条件如水体温度、p H值、电导率、营养盐浓度等的变化极其敏感。 目前，硅藻已被广泛应用于水体营养状况、水体酸化以及污染物等水质监测问题的研究。
水体中氮、磷浓度及氮磷比对硅藻种类及丰度有显著影响。过多的氮或过多的磷都不利于藻类生长。对佛罗里达沼泽富营养化的研究表明，着生硅藻的生物量和多样性变化可以反映水体中氮、磷浓度的变化。硅藻能够较好地指示水体的营养状况。
酸雨、酸性废水是河流水体酸化的主要来源。硅藻对水体p H值的反应敏感，p H值的改变会对硅藻组成产生很大影响。如近小头羽纹藻对酸性矿山废水的污染具有较强的耐受性，可用来作为指示种，其自养指数与pH存在显著差异。可见，硅藻对河流水体的酸化有很好的指示作用。
重金属污染会对硅藻的生长产生影响。对许多受金属污染河流的研究表明，硅藻对环境退化的响应不仅只表现在群落水平上，使硅藻在优势种和物种多样性上发生变化，也表现在其个体水平上，如硅藻的细胞膜在形态上的变化、硅藻个体的缩减和细胞膜的变形均与水体中高浓度的重金属相关。
研究表明，藻类对镉和铅的生物积累具有一定的剂量和时间效应，利用藻类不仅可以综合反映重金属污染状况，还可以实现对重金属污染的在线监测。 导致硅藻个体细胞膜变形的因素不仅仅只有重金属污染，其他一些理化因子也能使硅藻形态发生改变，如光照强度、紫外线UV以及氰化物、多环芳烃和杀虫剂等有毒化合物。长久以来，人们认为污染物能改变自然藻类( 特别是硅藻) 的结构和功能。有研究证明，水体中有机污染物浓度的增加，能够导致硅藻物种数减少、细胞密度增加、多样性和均匀度指数值降低。