浮游植物活体三维荧光光谱分类判别方法研究

选取中国东海6种分属于4个门类的赤潮藻种、优势种在实验室进行扩大培养,测量了2个温度(20和15℃)、3个光照(7000,4100和1100Lux)、不同生长期浮游植物的三维激发／发射荧光光谱,对浮游植物活体三维荧光光谱分类判别方法进行了研究。结果表明：基于主成分的判别分析法是利用三维光谱数据判别浮游植物种类的有效方法,对于金藻is,绿藻pl,中肋骨条藻sk三个物种,区分识别率理想;可以将中肋骨条藻(硅藻)与甲藻al和pr分开。     

基于加权平均法的活体藻类三维荧光标准光谱构建

针对活体荧光光谱不稳定引起的蓝藻门活体藻类定量误差问题,以实验室培养的4种类6个生长期的48个蓝藻样品为研究对象,通过测量样品叶绿素a和藻蓝蛋白的含量,结合藻类活体三维荧光光谱,研究了不同藻种种类、生长期和生长环境下蓝藻细胞色素组成和色素荧光效率的差异;定量分析不同条件对藻类活体荧光光谱不稳定性的影响,获得了不同条件下的光谱不稳定性权重谱;在此基础上,构建基于加权平均方法的蓝藻门活体藻类加权荧光光谱;比较了加权荧光光谱与不同条件下归一化荧光光谱对样品集的测量结果。结果表明:加权荧光光谱能有效降低荧光测量法对藻种种类、生长期、生长环境的依赖性,提高蓝藻门叶绿素浓度的测量准确性;测量结果的相对误差为0.1%~30.4%,平均相对误差为12.8%,相对误差最大可降低104.1%。     

基于四阶导数的浮游植物叶绿素荧光激发光谱特征研究

测量了分属硅藻和甲藻两个门类的六种我国东海常见赤潮藻的叶绿素荧光激发光谱,以Matlab为操作平台,采用自编的光谱求导程序,对荧光激发光谱进行四阶导数处理。结果表明,四阶导数法能有效去除光谱中的细小杂峰,并将重叠的色素荧光峰分离,实现主要色素的定性定量分析。四阶导数光谱在350～550 nm波长范围内出现的6个极大值主要代表了活体藻液中的非色素荧光物质、叶绿素和类胡萝卜素的荧光峰。通过原始叶绿素荧光激发光谱和四阶导数光谱的对比分析,表明四阶导数光谱法能够凸显硅藻和甲藻之间的光谱差异,增强光谱识别硅藻和甲藻的能力,同时也提高了光谱的稳定性和重现性。     

基于多任务卷积神经网络的浮游藻类群落识别方法

针对混合浮游藻类群落离散三维荧光光谱特征识别,对比分析了简单卷积神经网络(PlainCNN)和文本卷积神经网络(TextCNN)模型对5种常见门类藻(铜绿微囊藻、斜生栅藻、菱形藻、楯形多甲藻和隐藻)混合数据的种类识别准确率及浓度测量精度。结果表明,在藻类独立识别及浓度回归分析中,PlainCNN模型对测试集的平均识别准确率和浓度输出结果的平均均方误差分别为90%和0.052,均优于TextCNN模型。为了同时实现混合藻类种类识别和浓度分析,基于PlainCNN模型提出了多任务卷积神经网络PlainCNN-MT模型。该模型对混合藻类种类识别的平均准确率提高至95%,浓度输出结果的平均均方误差降低至0.039,表明多任务卷积神经网络在浮游藻类群落识别与定量分析中更具优势。     

基于coif2小波的浮游植物活体三维荧光光谱识别技术研究

小波分析技术是提取不同门类以及种属水平上浮游植物的三维荧光光谱特征的有效手段,利用coif2小波函数对分属于7个门,30个属的37种我国近海常见的浮游植物的三维荧光光谱进行小波分解,小波分量和尺度分量作为浮游植物备选荧光特征谱,通过Bayes分析确定第3层尺度分量作为浮游植物门类特征光谱,第3层尺度分量和第2和第3层小波分量的组合作为浮游植物属特征谱。对获得的浮游植物荧光特征谱进行系统聚类分析,得到37种浮游植物门类水平上的107条和属水平上的155条浮游植物荧光标准谱,组成浮游植物荧光标准谱库。在此标准谱库的基础上,利用非负最小二乘法解析的多元线性回归建立浮游植物三维荧光光谱识别技术。该技术对1 776个单种藻样品和384个混合藻样品进行识别分析,单种浮游植物样品在门类水平上的识别正确率为98.1%,属水平上的识别正确率为97.0%;浮游植物混合样品中的优势种在门水平上的识别正确率分别为94.8%,在属水平上的识别正确率为92.7%。     

藻类内源产生有色溶解有机物的吸收和三维荧光特性研究

利用吸收光谱和三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC) 方法,研究了海洋中常见的四种硅藻、两种甲藻藻液的CDOM的光吸收性质和三维荧光特性。吸收光谱测定结果表明在六种藻类生长过程中,旋链角毛藻、三角褐指藻、小新月菱形藻和盐生舟行藻四种硅藻以及东海原甲藻和裸甲藻两种甲藻的α(355)分别增加了64.8%,242.3%,535.1%,903.2%,836.0%和196.4%。表征CDOM分子量和类腐殖质组分比例的Sg呈下降趋势,分别降低了8.7%, 34.6%, 39.4%, 53.1%, 46.7%和35.7%。在三维荧光光谱测定中检测出小新月菱形藻和盐生舟行藻两种硅藻藻滤液的CDOM包括三种类腐殖质组分和一种类蛋白质组分：C1(Ex/Em=350(260) nm/450 nm),C2(Ex/Em=260(430) nm/525 nm),C3(Ex/Em=325 nm/400 nm)和C4(Ex/Em=275 nm/325 nm)。随着藻类的生长,小新月菱形藻和盐生舟行藻藻滤液的CDOM荧光强度分别增加了8.68,24.9,7.19,39.8倍和2.64,0.07,4.39,12.4倍,经过相关性分析表明各组分的荧光强度与α(355)和Sg之间均表现为良好的相关性。综上研究结果表明不论是甲藻还是硅藻,在生长过程中藻类内源所产生的CDOM的含量及分子量均表现为上升趋势,且硅藻类相比甲藻增长变化更为明显。在CDOM的组成中,类腐殖质成分随藻类生长所占比重同步增大,类蛋白质组分增长缓慢。另外通过该研究可以发现不同种类的藻所产生的CDOM的吸收光谱有明显差异,由三维荧光光谱得到的不同荧光组分强度也因藻种不同而不同,说明不同藻种在天然海水中对CDOM的贡献有很大区别。     

藻类内源产生有色溶解有机物的吸收和三维荧光特性研究（英文）

利用吸收光谱和三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)方法,研究了海洋中常见的四种硅藻、两种甲藻藻液的CDOM的光吸收性质和三维荧光特性。吸收光谱测定结果表明在六种藻类生长过程中,旋链角毛藻、三角褐指藻、小新月菱形藻和盐生舟行藻四种硅藻以及东海原甲藻和裸甲藻两种甲藻的α(355)分别增加了64.8%,242.3%,535.1%,903.2%,836.0%和196.4%。表征CDOM分子量和类腐殖质组分比例的Sg呈下降趋势,分别降低了8.7%,34.6%,39.4%,53.1%,46.7%和35.7%。在三维荧光光谱测定中检测出小新月菱形藻和盐生舟行藻两种硅藻藻滤液的CDOM包括三种类腐殖质组分和一种类蛋白质组分:C1(Ex/Em=350(260)nm/450nm),C2(Ex/Em=260(430)nm/525nm),C3(Ex/Em=325nm/400nm)和C4(Ex/Em=275nm/325nm)。随着藻类的生长,小新月菱形藻和盐生舟行藻藻滤液的CDOM荧光强度分别增加了8.68,24.9,7.19,39.8倍和2.64,0.07,4.39,12.4倍,经过相关性分析表明各组分的荧光强度与α(355)和Sg之间均表现为良好的相关性。综上研究结果表明不论是甲藻还是硅藻,在生长过程中藻类内源所产生的CDOM的含量及分子量均表现为上升趋势,且硅藻类相比甲藻增长变化更为明显。在CDOM的组成中,类腐殖质成分随藻类生长所占比重同步增大,类蛋白质组分增长缓慢。另外通过该研究可以发现不同种类的藻所产生的CDOM的吸收光谱有明显差异,由三维荧光光谱得到的不同荧光组分强度也因藻种不同而不同,说明不同藻种在天然海水中对CDOM的贡献有很大区别。     

三维荧光光谱-小波变换-粒子群算法联用快速识别测定浮游藻群落组成方法的研究

利用三维荧光光谱(EEMs)技术测定了实验室培养的分属5个门13个属的17种中国近海常见赤潮藻的荧光性质,通过db7二维小波变换提取赤潮藻三维荧光光谱的特征参量,采用系统聚类法构建荧光特征标准谱库,并利用多元线性回归辅以粒子群算法进行参数估计建立识别技术,实现了赤潮藻在门、属水平上的识别测定。测定样品中:赤潮藻纯种培养体在门、属水平上的平均识别正确率分别为96.1%和73.6%;对于优势度分别为60%,75%,80%,90%的赤潮藻模拟混合样品,优势藻在门水平上的平均识别正确率分别为86.7%,96.9%,98.7%,99.4%,识别相对含量分别为62.6%,72.7%,76.0%,81.6%;优势藻在属水平上的平均识别正确率分别为51.0%,68.9%,72.0%,78.8%;对于优势度达75%的赤潮藻实际混合样品,优势藻在门、属水平上的平均识别正确率分别为99.4%和75.9%。将所建技术用于围隔实验水样和现场调查采集水样进行分析,有效实现了浮游藻群落组成的识别测定,尤其是硅藻和甲藻的分类识别。     

基于光诱导荧光技术的浮游植物光合作用活性原位测量方法

根据浮游植物在不同光照下的荧光诱导特性,研究了叶绿素荧光作为浮游植物光合作用探针的特点,提出了原位测量活体叶绿素荧光值Ft和Fm获取浮游植物光合作用活性的方法。以淡水湖泊浮游植物中的普通小球藻、铜绿微囊藻和梅尼小环藻为实验对象,将原位测量方法得到的数据和实验室水样荧光仪的测试结果进行对比分析,结果表明:普通小球藻、梅尼小环藻和铜绿微囊藻的两组测试结果之间的相关系数分别为0.977 8,0.867 8和0.776 8,研究为进一步实现水体浮游植物光合作用活性的快速连续原位测量提供了方法。     

海洋微藻生长过程藻液三维荧光特征

利用三维荧光光谱技术监测了中肋骨条藻（Skeletonema costatum）,塔玛亚历山大藻（Alexandrium tamarense）,微小亚历山大藻（Alexandrium mimntum）,锥状斯氏藻（Scrippsiella trochoidea）,东海原甲藻（Prorocentrum donghaiense）及海洋原甲藻（Prorocentrum micans）实验室培养过程中产生的荧光溶解有机物。中肋骨条藻为代表的硅藻主要产生类腐殖质荧光物质,而甲藻在指数增长期主要产生类蛋白荧光物质。进入消亡期后类蛋白荧光和类腐殖质荧光强度迅速增大,原因可能是衰老、死亡藻细胞的破碎释放出大量的荧光有机物质所致,此外还有细菌对非荧光有机物进一步降解。塔玛亚历山大藻、微小亚历山大藻、东海原甲藻及海洋原甲藻的类蛋白荧光强度在消亡后期由于细菌降解或光降解等因素而降低。同属微藻产生的荧光物质相似,例如塔玛亚历山大藻与微小亚历山藻、东海原甲藻与海洋原甲藻,但具体荧光峰位置有所不同。     

基于特征区域下凸点提取的藻类荧光光谱波长选择方法

藻华现象的频繁发生严重影响了海洋环境和人类的生产活动,因此对水体浮游植物的监测十分重要。三维荧光光谱被广泛应用于水体浮游植物中藻类的群落组成分析和浓度定量分析,然而三维荧光光谱数据中的信息冗余给藻类定性定量分析带来了一定的影响。针对光谱信息冗余问题,提出了特征区域积分与凸点提取相结合的三维荧光光谱波长选择方法。以抑食金球藻、细长聚球藻、小球藻为研究对象,采用Savitzky-Golay卷积平滑法对三维荧光光谱进行预处理,解决了因外界因素造成的光谱噪声问题,采用马氏距离法剔除三维荧光光谱数据集中的异常光谱样本,运用浓度残差法剔除三维荧光光谱数据集中的异常浓度值样本,然后通过偏最小二乘回归模型的内部交叉验证均方根误差衡量不同特征区域下凸点的可靠性进行波长变量的选择。为验证波长筛选方法的有效性,对三种藻类建立偏最小二乘回归模型,以内部交叉验证决定系数（R2）、内部交叉验证均方根误差（RMSECV）作为模型评价指标。与全光谱数据建立的回归模型进行了比较,抑食金球藻、小球藻、细长聚球藻的波长变量由全谱的1071个分别减少到77个、75个、67个,R2分别提高了0.016 4,0.002和0.032 4,RMSECV分别降低了1.8×105,2.0×105,2.6×105。与UVE方法相比,抑食金球藻、小球藻、细长聚球藻的波长变量分别减少了599个、357个、317个,R2分别提高了0.014 5,0.000 4和0.012 3,RMSECV分别降低了1.6×105,7.0×104和1.6×105。经过该方法进行波长变量选择后,减少了冗余信息,提高了模型预测能力。     

麻痹性贝毒产毒藻株的三维荧光光谱识别技术研究

利用三维荧光光谱技术,研究了以微小亚历山大藻 （台湾株）（AMSY）、塔玛亚历山大藻（大亚湾株）（ATDY）、链状裸甲藻（防城港株）（GCFC）、塔玛亚历山大藻（香港株）（ATHK）、链状亚历山大藻（南海株）（ACSY）5株4种产麻痹性贝毒(PSP)微藻以及21株不产PSP藻在不同温度条件下培养微藻的各生长期产毒能力与三维荧光的关系。研究结果表明,在不同温度条件下,产毒藻类单位藻细胞产毒量会发生显著变化,低温可促进麻痹性贝毒的产生。通过Db7小波分解,选取Ca3尺度分量的联合荧光谱作为特征谱并利用Fisher判别发现,产PSP藻与不产PSP藻荧光差异主要集中在λ_ex为400~425和450~545nm;λ_em为715~750 nm的波段,利用判别函数建立判别式,实现了对产麻痹性贝类毒素藻类的识别测定。对产PSP毒素藻类的判别率达到93.7%,不产PSP毒素藻类判别率达到93.3% ,综合判别率为93.5%。该研究可实现对水体中活体产PSP微藻的快速识别,为进一步开发产毒微藻识别仪提供理论基础。     

赤潮光谱特征及其形成机制

采用海面以上光谱测量方法 (Above water method),利用美国FieldSpec® Dual VNIR光谱仪测量了丹麦细柱藻、中肋骨条藻、海洋褐胞藻等三种浮游植物赤潮以及红色中缢虫这一原生动物赤潮的离水辐射光谱数据。强调赤潮与正常海水的光谱差异在于687～728 nm波段的特征反射峰,指出了浮游植物赤潮与原生动物赤潮间的显著光谱差异,并认为可据此进行某些赤潮种类的遥感识别。给出了浮游植物赤潮光谱反射峰、吸收峰成因;红色中缢虫这一原生动物引起的水色异常,与其体内的共生藻类及浮游植物色素碎屑有关;其摄食偏好、与藻类的共生特性研究以及藻类常温下的荧光发射特性研究,将有助于加深对于红色中缢虫赤潮光谱成因的认识。     

溶解有机物三维荧光光谱技术在赤潮藻识别中的应用

将赤潮藻生长过程中产生的荧光溶解有机物(fluorescent dissolved organic matter,FDOM)的三维荧光光谱与主成分分析相结合,尝试建立了我国沿海10种常见赤潮藻的识别测定技术.用主成分分析提取三维荧光光谱第一主成分载荷谱作为识别特征谱,建立了浮游植物荧光特征谱库,在此基础上利用Bayes...     

由吸收系数和粒度分布计算浮游植物的散射光谱特征

散射特性在水色卫星遥感模式的开发、水下光辐射传输、优势藻光谱特征的提取以及赤潮监测等方面有着重要的应用价值.在假定藻细胞为均匀球形结构的条件下,建立了浮游植物的散射正演模型.模型输入参量为实际测量的藻细胞吸收系数和粒度分布,输出参量为浮游植物的散射效率和吸收效率光谱.对短伪海链藻和威氏海链藻进行实验,模拟结果与实验结果的比较发现:该模型估箅得到的散射光谱能与实验的散射光谱得到很好的吻合,两种藻的模拟散射效率相对实验散射效率的误差分别为7%和10.6%,吸收效率的误差分别为7.4%和13.4%.模拟与实验结果的吻合表明,由吸收系数和粒度分布可以模拟出藻类的散射光谱特性.单细胞近似球形藻类散射正演模型可行.     

活体浮游植物同步荧光光谱特征分析研究

测量了东海五种常见浮游植物在3个温度(25,20,15 ℃)、3个光照(7 000,4 100,1 100 Lx)下的不同生长期的同步扫描荧光光谱,对其进行了多项式平滑和归一化处理,考察了同种藻的光谱相似性,并运用主成分分析确立了其标准谱。分析结果表明,中肋骨条藻(Skeletonema costatuma, Sk)、等鞭金藻(Isochrysis galbana, Is)、岛国大扁藻(Platymonas helgolanidica, Pl)的特征光谱相似度高,塔玛亚历山大藻(Alexandrium tamarense)和裸甲藻(Gymnodinium stein)的光谱相似度稍差。实验所用的硅藻中肋骨条藻与甲藻塔玛亚历山大藻、裸甲藻的标准光谱明显不同。     

ClO2 预氧化高藻水过程中DOM三维荧光特征变化分析

为探明饮用水处理中ClO₂预氧化高藻水过程DOM三维荧光特征的变化规律,采用三维荧光光谱研究了ClO₂预氧化过程藻类胞内外溶解性有机物组分变化,并通过荧光体积积分法定量分析了DOM组分变化规律。结果表明,高含铜绿微囊藻原水的IOM荧光特征光谱有4个较为明显的荧光峰,主要为类酪氨酸类物质与类色氨酸类等代表的蛋白类荧光峰、腐殖酸类荧光峰、富里酸类荧光峰及可溶性微生物代谢产物峰,占比分别为14.52%,48.27%,16.22%和20.99%;而EOM荧光特征光谱只有1个较为明显的荧光峰,主要为可溶性微生物代谢产物,占比为63.14%,藻类有机物主要含在IOM中。在经过0.5 mg·L-1的ClO₂预氧化后,3 min内叶绿素a的去除率达到73.58%,IOM中以氨基酸、蛋白质及富里酸为代表的Ⅰ区、Ⅱ区及Ⅲ区物质释放至胞外并被ClO₂氧化为类腐殖质。随着ClO₂预氧化的进行,藻细胞不断破裂,IOM释放到水中,造成胞外EOM总响应值的提高,即EOM总响应值增加了54.89%,而IOM总响应值降低了51.50%。因此,饮用水处理高藻水时应该特别注意藻细胞IOM的释放,应选用合适氧化时间,在保证除藻效果良好的情况下,尽可能减少IOM的释放;该研究将为饮用水预氧化除藻及藻类消毒副产物的控制提供一定的理论基础和科学依据。     

同步扫描荧光光谱对水体四种重金属离子毒性的研究

采用三维荧光光谱和Δλ=20nm同步扫描荧光光谱技术研究Hg2+,Cd2+,Cu2+,Zn2+胁迫作用下蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)荧光光谱的变化情况,两种光谱技术得到了较为一致的结论:即胁迫作用96h后,蛋白核小球藻荧光中心处的荧光值显著降低,四种重金属离子对藻细胞光合系统的叶绿素a和叶绿素b造成了严重的破坏。进一步分析四种重金属离子浓度与由同步扫描荧光光谱得到的藻荧光猝灭效率I0/I的相关性可知:重金属离子的毒性与荧光猝灭效率I0/I呈正相关关系,均随重金属离子浓度和胁迫时间的增加而增强。对某一种重金属而言,同步扫描荧光光谱可实现藻细胞对该重金属毒性的评价。与三维荧光光谱相比,同步扫描荧光光谱具有耗时少、对特定荧光中心选择性高等优点,是研究水体有毒污染物毒性的有利工具。     

不同生境条件下藻蓝蛋白活体荧光光谱特性研究

蓝藻生物量检测技术发展是应对目前频繁发生的水华事件的重要环节。藻蓝蛋白作为蓝藻的特异性蛋白,在一定程度上比叶绿素更能准确反应自然水体中的蓝藻生物量,因而成为蓝藻生物量检测技术的重要指标。本文利用三维荧光光谱技术,以不同光照、不同生长期的铜绿微囊藻、鱼腥藻活体为研究对象,比较了单点法和包络法两种光谱解析方法的可靠性,探究了不同生境条件下的藻蓝蛋白活体荧光光谱特性。结果表明：(1)荧光光谱强度随生长期延长而增大;(2)采用包络法解析藻蓝蛋白特征荧光光谱的方法比单点法更为可靠;(3)在不同生境条件下,铜绿微囊藻藻蓝蛋白活体荧光激发波长基本保持614 nm、发射波长基本保持654 nm不变,鱼腥藻藻蓝蛋白活体荧光激发波长随生长期在610和620 nm之间波动减小,发射波长随生长期在650和660 nm之间波动增大。这种波动与藻种样品颗粒度大小和光谱扫描模式有关。该研究结果为发展蓝藻生物量活体荧光监测技术发展提供了实验基础。     

特征光谱法研究贵州两类不同香型风格烟叶

利用三维荧光和紫外-可见吸收光谱对贵州典型植烟区烤烟石油醚提取液进行光谱测定,获得烟叶化学物质总体特征光谱信息。光谱总体相似,但强度存在差异。三维荧光光谱中观察到三个特征峰,分别为峰Ⅰ:Ex/Em=297/326nm,峰Ⅱ:Ex/Em=250/330nm,峰Ⅲ:Ex/Em=225/336nm。峰强度表现为峰Ⅰ峰Ⅲ峰Ⅱ;紫外-可见吸收光谱在300~500nm波段呈现4个特征吸收峰,最大吸收波长λmax分别为329,419,445和472nm。根据三维荧光及紫外-可见吸收光谱特征峰的相对强度得到表征不同香型风格烟叶的总体化学物质相对含量的差异。利用三维荧光强度分数(D)及强度比值(R)的光谱数据进行聚类分析,在一定的距离系数范围内,能清晰划分贵州典型区域的"清甜香"和"醇甜香"两类特征香型烤烟。用荧光强度比值聚类较强度分数聚类更能在较小的距离系数内实现分类;三维荧光法较紫外-可见光谱法聚类的特征性更好。