基于色素?zé)晒獾母∮卧遄R(shí)別測(cè)定技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)海域赤潮頻發(fā)，對(duì)海洋漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)資源造成極大的損害，對(duì)海洋生物和人類健康的發(fā)展構(gòu)成威脅，迫切需要建立一種快速、有效地監(jiān)測(cè)浮游藻群落組成的方法，以實(shí)現(xiàn)赤潮的應(yīng)急、常規(guī)監(jiān)測(cè)。浮游藻三維熒光光譜能給出激發(fā).發(fā)射范圍的全部熒光指紋信息，對(duì)浮游藻的分類識(shí)別有很大的應(yīng)用潛力，是近年來(lái)備受關(guān)注的浮游藻群落測(cè)定方法之一。目前的研究主要針對(duì)浮游藻活體熒光展開，對(duì)于遠(yuǎn)海海域及海洋調(diào)查采集的大量浮游藻膜樣品無(wú)法進(jìn)行測(cè)定，迫切需要建立針對(duì)膜樣

2、品分析的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游藻群落組成的識(shí)別測(cè)定。同時(shí)針對(duì)本課題組前期基于小波分析建立的浮游藻活體熒光識(shí)別技術(shù)對(duì)某些赤潮藻的識(shí)別率較低的問題，本文采用多種技術(shù)提取光譜特征，著力建立各種識(shí)別技術(shù)之間的互補(bǔ)聯(lián)立譜庫(kù)，完善現(xiàn)有的浮游藻活體熒光識(shí)別測(cè)定技術(shù)。
　　 第一部分：在對(duì)我國(guó)近海海域赤潮與非赤潮期間浮游藻群落組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，選擇39種浮游藻(優(yōu)勢(shì)藻和赤潮藻)進(jìn)行研究，分別測(cè)得目標(biāo)藻種在不同生長(zhǎng)條件下的色素萃取液三維熒光

3、光譜，綜合利用小波、小波包、二維小波變換及Bayes判別分析、多元線性回歸等方法，分別建立浮游藻色素萃取液的三種熒光識(shí)別測(cè)定技術(shù)，基本上實(shí)現(xiàn)了浮游藻群落組成門類水平和屬水平(發(fā)生赤潮時(shí))上的識(shí)別分析，具體研究成果如下：
　　 1以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)了浮游藻色素萃取液熒光光譜的穩(wěn)定性；通過組間組內(nèi)方差分析，得到不同門、屬間的浮游藻色素萃取液熒光光譜具有較明顯的差異性。
　　 2分別采用小波(db7，coif

4、2小波)、小波包、二維小波變換對(duì)浮游藻色素萃取液熒光光譜進(jìn)行特征提取，通過Bayesian判別分析法選擇分類判別能力最佳的浮游藻識(shí)別特征譜，并構(gòu)建相應(yīng)的浮游藻色素萃取液熒光識(shí)別特征譜庫(kù)；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合非負(fù)最小二乘法解析的多元線性回歸分別建立相應(yīng)的浮游藻色素萃取液熒光識(shí)別測(cè)定技術(shù)。對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行測(cè)試：對(duì)于單種藻樣品，得到門水平上的平均識(shí)別正確率分別為95.5％，95.4％，95.5％，94.3％，平均識(shí)別相對(duì)含量分別為89.4％，87.

5、6％，88.8％，87.3％；屬水平上的平均識(shí)別正確率分別為89.3％，89.1％，90.1％，87.8％。對(duì)于模擬混合藻樣品，當(dāng)門上比例達(dá)50％時(shí)，小波、小波包技術(shù)能對(duì)除黃藻門以外的其它6個(gè)門類達(dá)90％以上的識(shí)別正確率，二維小波技術(shù)對(duì)黃藻門、藍(lán)藻門識(shí)別效果不好；當(dāng)混合比例達(dá)60％時(shí)，三種技術(shù)能對(duì)除黃藻門以外的其它6個(gè)門類藻均達(dá)85％以上的識(shí)別正確率。在屬水平上，當(dāng)浮游藻優(yōu)勢(shì)度達(dá)80％時(shí)，能對(duì)優(yōu)勢(shì)種達(dá)75％以上的識(shí)別正確率。當(dāng)浮游優(yōu)勢(shì)度

6、達(dá)90％t寸，能對(duì)優(yōu)勢(shì)種達(dá)80％以上的識(shí)別正確率。
　　 3將db7小波識(shí)別技術(shù)用于現(xiàn)場(chǎng)浮游藻膜樣品的識(shí)別測(cè)定，結(jié)果顯示對(duì)硅藻的識(shí)別和：HPLC-CHEMTAX結(jié)果一致，隱藻不能被正確識(shí)別。將HPLC-CHEMAX顯示相對(duì)含量較高的現(xiàn)場(chǎng)樣品譜加入到所建熒光識(shí)別特征譜庫(kù)進(jìn)行識(shí)別，整體識(shí)別情況有所改善，除硅藻能被正確識(shí)別外，隱藻的識(shí)別正確率明顯提高。表明所建技術(shù)用于浮游藻樣品浮游藻群落組成的識(shí)別分析是可行的。如果通過現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)浮游藻或

7、是現(xiàn)場(chǎng)采集浮游藻樣品(尤其是赤潮期間采樣)獲得現(xiàn)場(chǎng)譜更新識(shí)別特征譜庫(kù)，識(shí)別結(jié)果將會(huì)得以改善。
　　 第二部分：選擇近海海域常見的53種浮游藻(優(yōu)勢(shì)藻和赤潮藻)進(jìn)行研究，分別測(cè)得目標(biāo)藻種在不同生長(zhǎng)條件下的活體三維熒光光譜，綜合利用小波、小波包、二維小波變換及Bayesian判別、系統(tǒng)聚類分析及多元線性回歸等方法，分別建立小波、小波包、二維小波的浮游藻活體熒光識(shí)別測(cè)定技術(shù)，并研究各種技術(shù)對(duì)光譜特征的提取能力及相互補(bǔ)充作用，最終建立互

8、補(bǔ)聯(lián)立譜庫(kù)的識(shí)別測(cè)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)浮游藻群落組成門類水平和屬類水平(發(fā)生赤潮時(shí))的識(shí)別分析，具體研究成果如下：
　　 1.分別采用小波(db7，coif2小波)、小波包、二維小波變換提取浮游藻活體熒光光譜特征，結(jié)合多元線性回歸法分別建立3種浮游藻活體熒光識(shí)別測(cè)定技術(shù)。將各種識(shí)別技術(shù)用于對(duì)浮游藻單種樣品、混合樣品進(jìn)行測(cè)試，并研究不同技術(shù)對(duì)浮游藻特征譜的提取能力及相互補(bǔ)充作用，最終建立了以db7-ca3小波標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)為一級(jí)譜庫(kù)，其它特征譜

9、庫(kù)作為二級(jí)譜庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充的聯(lián)立識(shí)別測(cè)定技術(shù)。
　　 2.將聯(lián)立譜庫(kù)識(shí)別技術(shù)用于浮游藻樣品的識(shí)別測(cè)定，對(duì)于浮游藻單種樣品，得到門水平上的平均識(shí)別正確率為96.0％，屬水平上的平均識(shí)別正確率為87.4％，其中Oc，Db，Ld，Rh，Ks，Pl，As的識(shí)別率分別提高16.7，10，6.8，11.7，14.2，16.7，33.3個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于不同比例(60％，70％，80％，90％)的浮游藻模擬混合樣品，在門水平上的平均識(shí)別正確率分別為8

10、9.3％，93.8％，96.1％和96.9％；平均識(shí)別相對(duì)含量分別為58.4％，68.7％，77.5％和86.1％；在屬水平上的平均識(shí)別正確率分別為64.7％，92.6％，93.8％和93.9％。其中，Cf(60％優(yōu)勢(shì)度)和Db(60％的優(yōu)勢(shì)度)的識(shí)別率分別提高31.2和35.2個(gè)百分點(diǎn)。
　　 3.將聯(lián)立譜庫(kù)識(shí)別技術(shù)用于膠州灣和圍隔實(shí)驗(yàn)采集的24個(gè)水樣分析：23個(gè)水樣門類識(shí)別結(jié)果與鏡檢結(jié)果一致，屬水平上對(duì)于優(yōu)勢(shì)度大于80％(藻

11、細(xì)胞豐度)的8個(gè)水樣，5個(gè)水樣的優(yōu)勢(shì)藻能被正確識(shí)別。
　　 4.將聯(lián)立譜庫(kù)識(shí)別技術(shù)用于渤海、膠州灣水體分析，得到海域的浮游藻群落組成識(shí)別情況與歷史資料研究較好地保持一致。
　　 本文的創(chuàng)新之處在于基于浮游藻色素萃取液三維熒光光譜，綜合利用小波、小波包及二維小波分析技術(shù)建立浮游藻色素萃取液熒光識(shí)別測(cè)定技術(shù)，用于滿足大量浮游藻膜樣品的快速分析需要。同時(shí)基于浮游藻活體三維熒光光譜，綜合利用小波、小波包及二維小波分析技術(shù)建立浮游