《Diversity》：Impact of Surface Water Pollution on Biodiversity and Photosynthetic Activity of Phytoplankton in the Kalmius River
Sergey Chufitskiy,
Besarion Meskhi,
Anastasiya Olshevskaya,
Victoria Shevchenko,
Mary Odabashyan,
Denis Kozyrev,
Arkady Mirzoyan,
Anna Vershinina and
Lusine Gukasyan
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为评估顿涅茨克地区饮用水源状况及采矿与工业废水污染威胁，研究人员对卡尔米乌斯河流域南部水体开展监测，分析水质、浮游植物物种组成、光合色素含量及细胞光合活性。研究发现，水体中铁、酚等污染物浓度超标，并导致浮游植物物种组成变化、光合活性平均降低20%。浮游植物细胞荧光、物种组成及光合色素含量可作为铁、酚污染的有效生物指标，为区域水质监测与沿海生态系统健康评估提供新见解。
在亚速海沿岸，有一条名为卡尔米乌斯的河流，它承载着周边城市和工业区的命脉，也默默承受着数十年来高强度的人为压力。顿涅茨克地区的众多工矿企业，特别是马里乌波尔市的冶金和采矿业，不断向土壤、大气和水体排放着污染物。这些污染物不仅直接污染河流，还通过支流汇入，最终威胁到亚速海沿岸水域的生态健康。更令人担忧的是，卡尔米乌斯河及其支流卡利奇克河上，还分布着为南部城市供水的重要水库——帕夫洛波尔和斯塔罗克里姆斯科耶水库。这意味着，水体的污染不仅关乎生态，更直接关系到周边居民的饮用水安全。传统的水质理化监测虽能检测污染物浓度，但难以快速、综合地反映污染物对水生生物的实时、累积性影响。浮游植物作为水生生态系统的初级生产者和环境变化的敏感指示者，其状态变化能更早地预警生态风险。然而，针对卡尔米乌斯河南部流域，结合浮游植物物种组成、光合色素含量及其细胞水平光合活性的综合生物监测研究尚属空白。为此，由Sergey Chufitskiy, Besarion Meskhi, Anastasiya Olshevskaya, Victoria Shevchenko, Mary Odabashyan, Denis Kozyrev, Arkady Mirzoyan, Anna Vershinina和Lusine Gukasyan组成的研究团队，在《Diversity》期刊上发表了一项研究，旨在系统评估该区域的水污染状况，并探索浮游植物作为生物指标监测铁、酚等污染物胁迫的潜力。
为了回答上述问题，研究人员于2023年6月在卡尔米乌斯河南部流域设置了8个监测点进行水样采集，涵盖了干流、支流（卡利奇克河）、泉水补给支流以及两个水库。研究采用了多维度的分析方法：首先，通过标准化学方法分析了水样的理化参数（如酚、硫酸盐、氯化物、铁、锰等）并计算了水质污染指数(WPI)。其次，利用显微计数和分类学鉴定，分析了浮游植物的物种组成和丰度。再者，通过分光光度法测定了水样中叶绿素-a (Chl-a)、叶绿素-b (Chl-b)、叶绿素-c (Chl-c)等光合色素的含量。最后，也是本研究的特色所在，团队采用荧光测定法(氟测定法)，通过分析叶绿素荧光诱导曲线（OJIP曲线）的一系列参数，来评估浮游植物细胞光合系统II (PSII)的活性，这包括最大荧光产量、反应中心开放程度、电子传递效率等指标。数据分析运用了肯德尔等级相关系数、主成分分析(PCA)等统计方法，以揭示污染物浓度与浮游植物各项生物学指标之间的内在联系。
3.1. 水样化学组成
水质分析显示，研究区域水体硬度、悬浮固体和溶解性总固体含量均较高。多个监测点的铁、硫酸盐、氯化物、镁浓度超过了最大允许浓度(MAC)，其中河口处的铁浓度达到0.81 mg·L-1，超标2.5倍。除帕夫洛波尔水库水质为“良好”外，大部分监测点水质属于“中度污染”，而卡尔米乌斯河河口（点8）的水质污染指数(WPI)为1.09，已达到“高度污染”水平。
3.2. 卡尔米乌斯河浮游植物的物种组成
研究共鉴定出37种浮游植物，绿藻门和硅藻门最为多样。优势种普遍为梅尼小环藻 (Cyclotella meneghiniana)。从上游到河口，浮游植物群落结构发生显著变化：泉水支流（点1）物种极度单一，仅发现梅尼小环藻；水库中绿藻和蓝藻占主导；而干流及卡利奇克河中，硅藻（尤其是梅尼小环藻）占绝对优势（92%-96%）。这种变化与水体水化学特征及污染物的空间分布密切相关。
3.3. 分光光度法测定水样中的光合色素组成
光合色素分析表明，卡尔米乌斯河干流监测点（点2、5、8）的光合色素总浓度最高。所有点位均以Chl-a和Chl-c为主，这与硅藻的优势地位相符。泉水支流（点1）的光合色素含量最低。斯塔罗克里姆斯科耶水库和泉水支流的马加莱夫色素指数显著高于其他点位，表明这些点位浮游植物的生理状态较差且色素多样性更高。荧光法与分光光度法测定的Chl-a含量结果高度一致，且与细胞数量呈强正相关。
3.4. 浮游植物的光合活性
通过OJIP曲线参数分析发现，不同生境的浮游植物光合活性存在差异。卡尔米乌斯河干流的浮游植物具有较高的总光合性能指数(PI)，但向光系统I (PSI)的电子传递效率相对较低。相比之下，泉水支流和水库的浮游植物虽然PI值较低，但具有更高比例的反应中心关闭。主成分分析(PCA)进一步揭示，水体中酚浓度的增加与浮游植物细胞光合活性平均降低20%显著相关，而锰离子则主要影响细胞丰度和光合色素含量。
归纳与讨论
本研究通过综合运用理化分析与多种生物监测技术，系统评估了卡尔米乌斯河南部流域的水污染状况及其对浮游植物的生态影响。核心结论表明，采矿和工业活动导致该区域水体受到铁、酚、硫酸盐等多种污染物的复合污染。浮游植物群落对此作出了积极响应：铁浓度的升高导致了金属敏感物种梅尼小环藻的丰度增加；而酚污染则显著抑制了浮游植物细胞的光合作用效率。这证明了浮游植物，特别是其物种组成变化、光合色素含量以及基于荧光测定的细胞光合活性参数，可以作为地表水受铁和酚污染的有效、灵敏的生物指示剂。
这项研究的意义在于，它超越了传统水质监测的局限，将环境胁迫与生物体的功能性响应（光合作用）直接联系起来。OJIP荧光测定技术具有快速、原位、高信息量的优点，为大规模、实时的水生生态系统健康监测提供了强大的工具。研究结果不仅有助于更准确地评估卡尔米乌斯河流域及亚速海沿岸的生态风险，也为类似受工业废水影响的流域管理和修复提供了重要的科学依据。未来，将此类生物监测指标纳入常规环境监测体系，有望实现对水环境污染的更早期预警和更全面评价。
