基于小波分析的東海浮游植物種類熒光光譜識別技術(shù)研究.pdf

1、中國近海赤潮頻發(fā)、影響范圍擴大、持續(xù)時間增長，在一定程度上制約了中國沿海省市海洋經(jīng)濟，甚至損害了公眾健康。迫切需要建立一種現(xiàn)場、快速、實時的浮游植物群落組成識別技術(shù)，以實現(xiàn)赤潮的常規(guī)和應(yīng)急監(jiān)測。浮游植物的三維熒光光譜表現(xiàn)出明顯的指紋特性，在浮游植物群落組成測定及赤潮發(fā)生時對赤潮引發(fā)種的識別測定方面具有很大的應(yīng)用潛力。但是，目前能夠應(yīng)用的浮游植物群落組成熒光識別測定技術(shù)主要局限于兩大類：a.對某類具有顯著熒光特征的浮游植物的測定；b.將浮

2、游植物粗略的分為幾大類后進行監(jiān)測。尚沒有針對中國近海具體海區(qū)的特定浮游植物群落優(yōu)勢種的識別技術(shù)，也沒有一種針對赤潮發(fā)生時對赤潮引發(fā)種進行識別及數(shù)量測定的現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)。 本文在對中國近海海域赤潮與非赤湖期間浮游植物群落組成特點進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，選取實驗室培養(yǎng)的38種東海主要浮游植物(多為赤潮種及優(yōu)勢種，分屬7個門10個綱30個屬：其中甲藻2綱6屬9種，包括塔瑪亞歷山大藻Alexandrium tamarense、強壯前溝藻Amph

3、idinium carterae、錐狀斯比藻Scrippsiella trochoidea、裸甲藻Gymnodinium spp.、簡裸甲藻Gymnodinium simplex、東海原甲藻Prorocentrum donghaiense、微小原甲藻Prorocentrum minimum、海洋原甲藻Prococentrum marinum及米氏凱倫藻Kareniamikimotoi，硅藻2綱9屬12種，包括尖刺擬菱形藻Pseudo-n

4、itzschia pungens、中肋骨條藻Skeletonema costatuma、圓海鏈藻Thalassiosira rotula、新月菱形藻Nitzschia closterium、丹麥細柱藻Leptocylindrus danicus、布氏雙尾藻Ditylum brightwellii、盒形藻Odontellacf_sinensis、輻射圓篩藻Coscinodiscophyceae Coscinodiscus cf＿ radi

5、atus、圓篩藻Coscinodiscophyceae Coscinodiscus sp.、旋鏈角毛藻Chaetoceros curvisetus、柔弱角毛藻Chaetoceros debilis及雙突角毛藻Chaetoceros didymus；金藻2綱5屬5種，包括球等鞭金藻Isochrysis galbana、小三毛金藻Prymneium parvum、顆石藻Gephyrocapsa oceanica、球形棕囊藻phaeocyst

6、is globosa及六異刺硅鞭藻Distephanus speculum：綠藻1綱4屬5種，包括島國大扁藻Platymonas helgolanidica、亞心型藻platymonas subcordiforus、細小微胞藻Micromonas pusilla，鹽生杜氏藻Dunaliella salina及小球藻Chlorella pynenoidosa；黃藻1綱2屬2種，包括赤潮異灣藻Heterosigma akashiwo及海洋卡

7、盾藻Chattonella marine；隱藻1綱1屬2種，包括隱藻Rhodomonas sp.及鹽沼隱藻Rhodomonas salina；藍藻1綱3屬3種，包括聚球藻Synechocooccus sp.、螺旋藻Spirulina sp.及魚腥藻Anabaena sp.)進行研究，對活體浮游植物的三維熒光光譜的測量精密度、培養(yǎng)重現(xiàn)性、穩(wěn)定性(生長期、光照、溫度)及不同種類浮游植物的光譜差異性等進行了綜合分析，闡述了應(yīng)用三維熒光光譜識別

8、浮游植物種類的可行性；分別針對已商業(yè)化的熒光分光光度計及要自行開發(fā)的高靈敏度、低能耗、便攜式藻類自動分析儀，基于連續(xù)三維熒光光譜及離散三維熒光光譜，利用小波分析等方法建立了東海浮游植物赤潮種及優(yōu)勢種的識別技術(shù)；并初步建立了以葉綠素濃度為指標參數(shù)的東海浮游植物(半)定量分析方法，為建立東海赤潮生物種類現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)提供了重要基礎(chǔ)。取得的主要成果如下： 1.比較系統(tǒng)地總結(jié)了中國近海赤潮生物、浮游植物優(yōu)勢種及群落結(jié)構(gòu)特點：a.中國近海海

9、域在非赤潮期間多以1～2個門類的多種浮游植物為優(yōu)勢種，單種優(yōu)勢度一般不會超過75％，而總門類優(yōu)勢度多在90％以上，甚至接近100％；b.中國近海海域以單相型赤潮為主，發(fā)生赤潮時絕大多數(shù)肇事藻的優(yōu)勢度大于90％，甚至接近100％；雙相型赤潮的兩種優(yōu)勢種的總優(yōu)勢度也在90％以上，甚至接近100％。 2.以相對標準偏差(RSD)及相關(guān)性系數(shù)(IAC)為標準，對不同三維熒光光譜部分的測量精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及不同種類差異性等進行分析，

10、闡述了應(yīng)用三維熒光光譜識別浮游植物種類的可行性：在實驗室研究條件下，絕大多數(shù)浮游植物的三維熒光光譜具有良好的測量精密度、培養(yǎng)重現(xiàn)性、穩(wěn)定性(生長期、光照及溫度)，大多數(shù)不同屬(種)的藻間表現(xiàn)m明顯的差異性。獲得了最佳連續(xù)三維熒光光譜部分(Ex=400～600nm，Em=650～670nm)。 3.以兩類小波函數(shù)(db7及coif2小波)對浮游植物的最佳連續(xù)三維熒光光譜部分進行特征提取，獲得了不同層次的尺度分量及小波分量，以Fis

11、her判別法選擇了尺度分量及小波分量識別特征譜；對浮游植物在不同條件下的分類識別能力進行了分析，并以系統(tǒng)聚類法提取浮游植物兩類小波函數(shù)的尺度分量及小波分量識別特征譜的標準譜，分別建立了兩級標準譜庫，在此基礎(chǔ)上，利用非負最小二乘法建立熒光識別技術(shù)：對浮游植物在屬(種)和門類水平上的正確識別率分別高于86％及96％；可對現(xiàn)場樣品中胞密度大于5×106 cell L-1的赤潮優(yōu)勢種(Pr、Al、諾登海鏈藻、聚生角毛藻)進行屬層次的識別，可對不

12、發(fā)生赤潮的浮游植物群落(胞密度為105～106 cell L-1)優(yōu)勢種進行門類層次的識別。 4.選擇了12個激發(fā)波長點(400nm，430nm，450nm，460nm，470nm，490nm，500nm，510nm，525nm，550nm，570nm及590nm)在650～700nm范圍內(nèi)發(fā)射光譜組成離散三維熒光光譜，以兩類小波函數(shù)(db3及coif2小波)對浮游植物的離散三維熒光光譜進行分解，獲得了不同層次的尺度分量及小波分

13、量，以Fisher判別法選擇了尺度分量及小波分量識別特征譜；對浮游植物在不同條件下的分類識別能力進行了分析，并以系統(tǒng)聚類法提取浮游植物兩類小波函數(shù)的尺度分量及小波分量識別特征譜的標準譜，分別建立了兩級標準譜庫，并利用非負最小二乘法建立熒光識別技術(shù)：對浮游植物在屬(種)和門類水平上的正確識別率分別高于85％及96％：可對現(xiàn)場樣品中胞密度約為lO7 cell L-1的赤潮優(yōu)勢種(Pr、諾登海鏈藻、聚生角毛藻)進行屬種層次的識別，可對不發(fā)生赤

14、潮的浮游植物群落(胞密度為105～106 cell L-1)優(yōu)勢種進行門類層次的識別。 5.在買驗室初步建立了活體浮游植物葉綠素?zé)晒?半)定量分析方法，方法的檢測限約為8μg L-1，葉綠素的最佳線性范圍為20～200μg L-1。 本論文的創(chuàng)新之處在于基于小波分析等方法建立了東海主要浮游植物的標準譜庫，可對單相型赤潮的引發(fā)種進行種屬層次的識別，并可對979個浮游植物實驗室混合樣品中的28種優(yōu)勢種及發(fā)生赤潮時的肇事種實現(xiàn)