叶绿素a是水体浮游植物光合作用的重要载体，也是地表水水质生物监测的重要指标.通过测定水体叶绿素a浓度，可掌握水体的初级生产力情况.叶绿素a常用来评价水体的富营养化程度.水体叶绿素a浓度的测定方法主要有分光光度法、高效液相色谱法(HPLC)、荧光光度法等.分光光度法作为公认的常规分析法，仪器设备简单、灵敏度高、应用广泛，但操作繁琐、分析耗时长^[1]. HPLC法适用于色素粗提物中叶绿素单体及其衍生物和其他色素的分离测定^[2-3]，但仪器昂贵、分析耗时长、专业技术性强，难以作为常规的监测方法.此外，分光光度法和HPLC法均需要对样品进行复杂的前处理，难以实现现场快速、实时测量.荧光光谱法具有灵敏度高、分析简便、样品无需预处理、无污染、无破坏性等优点，易于实现原位测量，因此被广泛应用于浮游植物光合色素组成和群落分布测量^[4-8].其中活体荧光直接测定法是目前原位测量水体中叶绿素a浓度的首选方法，该方法通过测定一定波长激发下叶绿素a的活体荧光强度进行定性定量分析.常用的商品化仪器主要有基于单点荧光光谱法的YSI多参数水质检测仪^[9-11]、Hydrolab DS5水质多功能监测仪^[12]、基于激发荧光光谱法的PHYTO-PAM叶绿素荧光仪^[13]和BBE藻类现场分析仪^[14-15]等.

三维荧光分析法能够获得激发波长与发射波长或其他变量同时变化的荧光强度信息，通过一次扫描便有可能监测体系中的全部组分，较单点荧光光谱、激发荧光光谱等普通荧光光谱法提取的指纹信息更丰富，有利于更细地区分目标物^[4].中国科学院安徽光学精密机械研究所依据不同门类藻荧光光谱的差异性，提取蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻和隐藻等5个门类藻类荧光光谱的指纹特征，提出基于色素特征荧光光谱的藻类叶绿素a分类测量方法，采用10波段LED激发光源、6波段荧光探测通道，结合调制解调式微弱荧光信号检测技术，配套活塞式自清洁型的水体自动进样模块开发了基于离散三维活体荧光光谱法的水体藻类原位测量仪，用于水体叶绿素a的测定及5个门类藻的分类.本文首次将该仪器用于太湖水体叶绿素a的原位测量，对其准确性、适用性进行验证，并将测定结果与YSI多参数水质检测仪、BBE藻类现场分析仪和分光光度法测定结果进行对比，以期客观评价几种湖泊水体藻类的原位测量方法，以便在实际应用中扬长避短.

1 材料与方法 1.1 仪器与试剂

三维荧光光谱水体藻类原位测量仪(AFA)(中国科学院安徽光学精密机械研究所)；YSI6600V2 (多参数水质检测仪)(美国YSI)；BBE藻类现场分析仪(德国BBE)；T6(新锐)分光光度计(北京普析通用)；90 %丙酮；石英滤膜(美国Whatman).

1.2 样品来源

蓝藻是太湖水体浮游植物中的优势门类，由于污染程度差异，太湖湖体不同区域藻类密度及叶绿素a浓度差异较大，有利于得到不同浓度梯度的样品.本实验中的样品来自太湖不同区域的例行监测点位及太湖东岸渔洋山的江苏省环境监测中心太湖野外观测站.其中，2015年11月2-5日和2016年5月24-25日在太湖例行监测点位(图 1)先后采集了39组样品；2015年12月25日2016年5月23日在太湖东岸渔洋山的江苏省环境监测中心太湖野外观测站采集了38组样品.

1.3 实验方法

采集样品的同时分别用AFA和YSI现场测定叶绿素a浓度，同时采集两份500 ml样品，其中1份立即加入1 %的碳酸镁试液固定，用作实验室分光光度法测定叶绿素a浓度，另1份带回实验室用BBE藻类现场分析仪测定叶绿素a浓度.用AFA和BBE测定叶绿素a的同时，对蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻、隐藻进行分类测量.分析比较3种现场分析仪与分光光度法测定的叶绿素a浓度，并比较现场分析仪对不同藻类的分类测量情况.

1.3.1 现场分析仪测定方法及测定范围

样品混合均匀后分别使用AFA和BBE一键进样测定，YSI置于样品桶中直接测定. AFA测定范围为0.1~200 μg/L，测定时间为3 min；BBE测定范围为0.1~200 μg/L, 测定时间为10 min；YSI测定范围为0.1~400 μg/L，测定时间为1 min.此3种方法以下统称为非标法.

1.3.2 分光光度法

目前我国环境监测领域水质叶绿素a浓度的测定尚没有标准方法，主要依据《湖泊富营养化调查规范》^[16]及文献[1]中的乙酸纤维滤膜抽滤—丙酮研磨—分光光度法进行测定.但乙酸纤维滤膜溶于丙酮会影响样品溶液吸光度的测定^[17]，而且研磨萃取易造成叶绿素的降解和损失^[18-19].为使测定值具有良好的精密度，参考文献[17-19]将样品前处理方法加以改进：样品经石英滤膜抽滤，滤膜在冰箱内低温干燥6~8 h后，剪碎于6 ml 90 %丙酮暗处密闭浸提16 h，离心后上清液转移至10 ml试管，滤渣用2~3 ml 90 %丙酮清洗、离心后滤液并入上清液，重复1~2次，所有上清液定容至10 ml混匀，经0.45 μm聚四氟乙烯针式滤头过滤后，依据文献[1]中方法测定.以下称该方法为标准法.

2 结果与讨论 2.1 叶绿素a浓度测定结果分析

实验共获得68组叶绿素a浓度有效数据(表 1)，统计结果表明：3种非标法中AFA测定值均值与标准法最接近，但较标准法偏高10 %；YSI测定值多数偏低，均值较标准法偏低48 %；BBE测定值中有96.9 %的测定值较标准法偏高，均值较标准法偏高107 %.将3种非标法测得的所有叶绿素a浓度分别与标准法测定值作置信度为95 %的双侧t检验，检验结果表明：AFA法与标准法之间无显著性差异，BBE法、YSI法与标准法之间有显著性差异.

为更详细地了解3种非标法在不同浓度区间的测定情况，根据标准法测得的叶绿素a浓度将测定值按低(≤10 μg/L)、中(10~30 μg/L)、高(≥30 μg/L)浓度分组，3种非标法分别与标准法的测定结果相对误差的平均偏差(精密度)及与标准法测定值相对误差绝对值≤30 %的样品百分率(准确率)统计结果显示(图 2)：(1)低浓度组3种非标法测定值均较标准法高，其中BBE法的测定值最高，YSI法的测定值波动较大.精密度最好的是AFA法，最差的是BBE法；准确率最高的是YSI法，为20 %，最低的是BBE法，为6.7 %.将3种非标法的低浓度组测定值分别与标准法的测定值作置信度为95 %的双侧t检验，结果表明：当叶绿素a浓度低于10 μg/L时，3种非标法与标准法测定值之间均有显著性差异，t值由小至大的顺序是YSI法、AFA法、BBE法. (2)中浓度组中，精密度及准确率最好的是AFA法，准确率为73.7 %，其次是BBE法，准确率为66.7 %. YSI法有82.3 %的测定值较标准法低，准确率为43.8 %. AFA法和BBE法测定值较标准法普遍偏高，BBE法的测定值普遍较AFA法高.将中浓度组3种非标法的测定值分别与标准法的测定值作置信度为95 %的双侧t检验，结果表明：当叶绿素a浓度在10~30 μg/L时，AFA法与标准法之间无显著性差异，YSI法、BBE法与标准法均有显著性差异. (3)在高浓度组中，AFA法精密度和准确度依然是最好的，其次是BBE法，YSI法最差. AFA法、BBE法和YSI法准确率分别为88.9 %、50.0 %和0；BBE法有87.5 %的测定值较标准法偏高，YSI法的所有测定值均偏低.将高浓度组3种非标法的测定值分别与标准法的测定值作置信度为95 %的双侧t检验，结果表明：当叶绿素a浓度≥30 μg/L时，AFA法、BBE法与标准法之间无显著性差异，YSI法与标准法之间有显著性差异. (4)随着叶绿素a浓度的升高，AFA法的精密度、准确率逐渐提高，YSI法的精密度、准确率则大幅度下降，尤其是在高浓度时可靠性为0.

2.2 几种测定方法分类测量的结果分析

在测定样品叶绿素a浓度的同时，BBE法和AFA法会同时给出蓝藻门、绿藻门、硅藻门、甲藻门和隐藻门的分类叶绿素a浓度测量结果，样品标准法的分类测量采用实验室显微镜下人工计数法，测得的结果为细胞单体个数，作为荧光法分类测量的参考. YSI法给出的是蓝藻叶绿素a浓度结果，不能对其他门藻类进行分类测量；BBE不能对硅藻、甲藻进行分类，给出的是硅、甲藻叶绿素a浓度之和.为了进一步比较BBE和AFA对5大门类藻的分类情况，还分别测量了实验室培养的5大门类纯藻溶液. 5大门类纯藻选择我国淡水水体5个常见的浮游植物门类进行纯种培养，即蓝藻门的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、绿藻门的小球藻(Chlorella vulgaris)、硅藻门的脆杆藻(Fragilaria sp.)、甲藻门的光甲藻(Glenodinium gumnodinium)和隐藻门的卵形隐藻(Cryptomonas ovata).选用的纯藻种均来自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库.按照不同藻种接种要求配制培养基，在光照培养箱中对纯种的浮游植物进行扩繁、驯化培养和转接，光源使用白色冷荧光灯管，光照强度为6000 lx，固定光暗周期为10 h/14 h，温度为25℃/22℃，培养周期为15 d，测量前通过人工镜检鉴定其纯度.部分样品测量结果见表 2.

由表 2可见，AFA和BBE对太湖样品的浮游植物分类结果趋势与人工计数法趋势大体相同，能够识别出水体中的优势藻种；YSI不能对浮游植物进行分类，测得的叶绿素a均归为蓝藻叶绿素a浓度.对纯种藻类的测定表明：BBE能够正确地区分蓝藻、绿藻，不能将硅甲藻分开，但会将部分硅甲藻误判为绿藻，将部分隐藻误判为蓝藻、绿藻、硅甲藻，蓝藻、绿藻的荧光效率远高于硅甲藻、隐藻，尤其是绿藻的荧光效率较蓝藻高10倍以上，这可能也是BBE测定值偏高的原因之一；AFA对5大门类藻的分类优于BBE.

2.3 几种测定方法间叶绿素a浓度的相关性分析

几种方法测得的叶绿素a浓度相关性分析结果表明AFA、BBE、标准法测定值间的线性回归相关性较好，相关系数r均在0.96以上，其中，AFA与BBE间的相关性最好，r达到0.98，表明叶绿素a的仪器法测定结果稳定性优于标准法；AFA法与标准法间的相关性优于BBE法与标准法间的相关性；YSI法与标准法测定值间相关性较差，r仅为0.36(图 3).

2.4 讨论 2.4.1 YSI的适用性

YSI多参数测定仪测定的叶绿素a浓度总体偏低，与标准法具有显著性差异.对于叶绿素a浓度≤10 μg/L的样品，测定值具有参考意义；YSI不适用于测定叶绿素a浓度高于10 μg/L的样品，主要是由其结构和原理造成的. YSI的设计原理是基于藻蓝蛋白特征荧光的单点荧光光谱法，采用峰波长为470 nm左右的蓝光作为激发光源，照射完整细胞中的叶绿素a发射出光谱在650~700 nm范围内的荧光.但是，不同藻类种群在不同波长的激发光下产生的荧光强度不同.在日常的水质监测中，YSI的叶绿素a探头在通常情况下使用罗丹明WT标准溶液进行统一校正，在使用同一激发光测定水体叶绿素a浓度的情况下，其他藻种与蓝藻被激发的荧光强度存在较大的差异性，在使用统一校正标准的情况下，叶绿素a浓度测定结果必然不准确，这也是造成YSI与标准法测定叶绿素a浓度结果差异大的主要原因^[10-11].

2.4.2 BBE藻类在线测定仪

与文献[14]和文献[15]BBE藻类在线测定仪测定的叶绿素a浓度较标准法偏低不同的是，本文中BBE测定的叶绿素a浓度总体偏高，可能是本文中的标准法与BBE定量方法不同有关.本文中BBE法与标准法具有显著性差异，尤其是测定低浓度样品时差异明显，但与标准法的相关性较好，说明BBE法与标准法之间存在方法间的误差.测定叶绿素a浓度≥30 μg/L的样品时，BBE测定结果与标准法之间无显著性差异，测定结果可部分采用. BBE采用的是激发波长为变量的二维荧光技术，根据浮游植物活体荧光光谱特征分为蓝藻组、绿藻组、硅甲藻组和隐藻组.仪器采用470、525、570、590、610和375 nm 6个波长作为激发光，680 nm作为固定发射波长.因375 nm激发波长的光只能被普通有机物吸收，藻类对该波长无反应，因而被用来测定有机物干扰，并对藻类检测结果进行补偿.根据不同类别藻的特征荧光光谱，此外5个波长的激发光被用来区分不同类别的藻，得到样品的激发荧光光谱及不同类别藻的荧光强度，再根据已知的纯种培养体标准激发荧光光谱及相应浓度的荧光强度，利用多元线性回归的方法求出样品中各组成浮游植物的浓度. BBE能够按照不同门类的藻分类测定叶绿素a浓度，其准确性及测量范围较YSI大大提高，但由于二维荧光光谱提取的信息量有限，除蓝藻和绿藻外，会将部分硅藻、甲藻和隐藻误判为其他藻类，是导致测量结果误差的一个重要原因.

2.4.3 三维荧光光谱水体藻类原位测量仪(AFA)

AFA测量的叶绿素a浓度较标准法普遍偏高，但与标准法之间无显著性差异，与标准法、BBE法之间存在很好的相关性，精密度、准确率优于YSI法和BBE法；测定低浓度样品时，测定值与标准法有显著性差异，精密度优于YSI法和BBE法, 准确率略低于YSI法. AFA法能够获得激发波长与发射波长同时变化的荧光强度信息，测量原理是基于光合色素特征荧光光谱的浮游植物分类测量方法^[20]，即根据不同浮游植物光合色素组分和含量的差异，选择各色素的特征吸收和荧光发射波长，扫描获得波长不连续的藻类活体三维荧光光谱，称之为“离散三维荧光光谱”，最大程度地保留了浮游植物的色素组成信息；将培养的纯种浮游植物“离散三维荧光光谱”以叶绿素a浓度归一化，获得“标准离散三维荧光光谱”，形成光谱数据库；以各浮游植物“标准离散三维荧光光谱”对样品光谱进行去卷积运算，反演得到浮游植物种类及其叶绿素a浓度. AFA法以多波段LED阵列作为激发光源，以多波段滤光片组作为接收荧光的波段选择器，根据5个门类浮游植物色素特征荧光光谱点激发和发射波段，选择412、435、455、470、507、535、567、624、635和665 nm等10个激发波段，620、654、670、683、692和725 nm等6个发射波段，采用无信息变量消除算法(UVE)对三维荧光光谱进行压缩，最大程度地减小非特征区域和特征区域的比例，突显不同门类的浮游植物荧光光谱差异信息，选出36个色素荧光光谱的特征点，组合得到“离散三维荧光光谱”. AFA法激发波段、发射波段都大大多于BBE法，提取的指纹信息较BBE法更丰富，更好地消除了不同门类藻光合色素组成导致的叶绿素a荧光量子效率上的巨大差异，对藻类种群的分类更准确，大大提高了活体荧光法测量水体叶绿素a浓度的可靠性.

2.4.4 影响活体藻类现场测定仪测量的因素

活体藻类现场测定仪测量叶绿素a浓度的原理均是基于活体藻类叶绿素a的强荧光光谱特性.水体的温度、浊度对活体藻类叶绿素a的荧光强度均有着显著影响，随着温度的降低荧光量子产率和荧光强度将增大；随着水体浊度增高，散射越强，荧光强度越高^{[4, 21-22]}.测量低浓度样品时，环境因素的干扰作用会更明显，YSI主要用于海水中低浓度叶绿素a的测量，其在低浓度测量时的校正方法做得较BBE和AFA更详细，因而准确度略高.环境因素对活体藻类现场测定仪测定值的影响及校正可能还需要进一步研究.水体中藻类的组成差异与含量的不均匀性对结果也有一定的影响.另外，标准法测定低浓度样品时萃取、转移等损失比例的增大会造成标准法测定值偏低，也是藻类现场测定仪测定低浓度样品普遍偏高的原因之一.

3 结论

太湖水体叶绿素a浓度测定试验表明：基于离散三维活体荧光光谱法的水体藻类原位测量仪(AFA)测定湖泊叶绿素a的性能优于YSI多参数水质检测仪和BBE藻类现场分析仪，与分光光度法无显著性差异，与分光光度法和BBE藻类现场分析仪具有较好的相关性，离散三维活体荧光光光谱法在浮游植物叶绿素a浓度及分类测量上的准确率和精密度优于普通荧光法，在实时监控湖泊水体藻类生长情况和水华及时预警上可靠性更好.

致谢: 江苏省环境监测中心太湖野外观测站和无锡市环境监测中心站协助了野外试验，特此致谢.