小波分析在活体浮游植物荧光光谱识别技术中的应用

选取db3小波函数,对分属7个门32个属的43种我国近海常见的优势藻种和赤潮藻种的3-D荧光光谱进行分解,提取小波分解后得到的第2,3层尺度分量作为荧光特征谱。再通过系统聚类的方法分别得到门类和属类层次上的标准谱。在此基础上,利用非负最小二乘法解析的多元线性回归方法建立了浮游植物荧光识别测定的技术。结果表明,利用db3小波函数分解并提取荧光光谱特征,从而在门类水平建立起来的标准谱库,对于单种藻样品的识别正确率平均为96.33%,对混合样品的识别正确率平均为84.27%。在属类水平上建立起来的标准谱库,对于单种藻样品的识别正确率平均为92.53%,对混合样品的识别正确率平均为69.60%。     

荧光光谱结合主成分分析对硅藻和甲藻的识别测定

将浮游植物三维荧光光谱与主成分分析方法相结合,针对我国东海常见的12种藻建立了硅藻和甲藻的识别测定技术。根据Fisher判别分析结果,选用三维荧光光谱的第一主成分得分谱作为硅藻和甲藻的识别特征谱,建立了浮游植物荧光特征谱库。在此基础上,利用非负最小二乘法进行识别测定,其中单门类样品共有78个,识别正确率为95%,回收率≥81%;2个门类的混合样品共有18个,识别正确率为83%,回收率≥80%。     

基于SVM方法的航空高光谱赤潮信息提取与分析

从仪器到外业数据采集再到内业数据处理,较全面的阐述了航空高光谱赤潮监测的工作流程,并着重讨论了航空高光谱赤潮信息提取这一关键技术.采用专门针对小样本高维度的支持向量机模式识别方法,以2013年7月4日浙江舟山东福山赤潮高光谱数据为例,通过采集7个点位的赤潮海水和正常海水波谱曲线,研究分析赤潮海水的差异性特征,开展赤潮信息提取技术的研究,并对相同样本不同的提取方法进行了对比,通过分析,进一步证明了支持向量机方法的准确性和优越性.航空高光谱赤潮信息提取技术的研究可为航空赤潮业务化监测提供必要的技术基础.     

基于db7小波的活体浮游植物荧光识别分析技术研究

通过小波变换可对信号的不同频率成分进行分解,为弱信号特征提取提供了有效途径。通过db7小波对分属7个门32个属的43种浮游植物的三维荧光光谱进行分析,后经Bayes判别分析选择小波分解后的第三层尺度分量作为最佳荧光识别特征谱,并通过系统聚类法将最佳特征谱在不同的条件下聚类进而得到门、属上的标准谱库。基于此,运用多元线性回归辅以非负最小二乘法建立浮游植物三维荧光光谱识别技术。利用该技术对4128个单种浮游植物样品和636个混合浮游植物样品进行识别分析。单种浮游植物样品在属水平上的识别正确率为75%,门水平上的识别正确率为95%;浮游植物混合样品中的优势种在属水平上的识别正确率为83%,门水平上的识别正确率为91%。结果表明:该技术可以实现对浮游植物的快速准确识别。     

后赤潮过程中现场水样的三维荧光光谱特征分析

对发生在青岛近岸水域的后赤潮过程中赤潮藻密度、藻种进行鉴别的同时,对现场水样的三维荧光光谱进行了测量,获得了一套三维特征荧光数据。分析结果表明,1）当海水中生物密度达到或接近赤潮密度时,Ex最高峰值波长位于245nm,Em最高峰值波长在445nm,激发转折波长在260nm,荧光转折波长在245nm;2）在非赤潮区,Ex...     

海洋浮游植物三维荧光光谱的逐层分类方法研究

提出活体海洋浮游植物三维荧光光谱逐层分类法,将浮游植物区分为不同的"光谱类别"。选取中国近海常见的26种分属于甲藻、硅藻、黄藻、金藻、隐藻、绿藻、蓝藻的浮游植物,在室温20℃和3个光照条件下培养,在第3,6,9,12,15天测其三维荧光光谱。采用主成份分析结合非负最小二乘回归法(NNLSR),以浮游植物叶绿素a的发射峰680nm所对应的激发光谱作为第一特征谱以区分门类,以EX730谱作为硅藻的逐层分类的第二特征谱,SY350谱作为甲藻的第二特征谱,将实验所用9种硅藻和8种甲藻各划分为3个光谱类别;分析405个浮游植物混合物,门类识别正确率大于94%,光谱类别的识别正确率为75%,该方法可用于海洋浮游植物种群结构变化的快速宏观监测。     

基于模糊C均值聚类-支持向量机的海底沉积物分类识别

在总结了目前海底底质分类研究的基础之上,率先提出利用计算机数值模拟技术对海底底质进行分类识别研究。相较于目前海底底质分类研究中所使用的水槽实验法,提出采用计算机数值正演技术模拟实际地震勘探中数据采集过程。在分类识别算法上,分别采用支持向量机(SVM)和模糊C均值聚类(FCM)算法对采集的数据进行分类,为使支持向量机分类识别率达到最大,引入差分进化算法对支持向量机中关键参数进行最优化搜索,并研究了向原始地震记录中加入10%,30%,50%的高斯白噪音时算法的稳定性。在分析了这两种算法分类识别的正确率及其各自的优缺点后,提出了海底底质分类识别的两步法,即(1)先利用模糊C均值聚类进行一粗糙的预测分类,在每一类中挑选聚类性较好的数据作为支持向量机的训练样本;(2)将上一步中筛选的样本作为支持向量机的训练样本,并用差分进化算法优化支持向量机分类参数,再利用训练好的支持向量机对其余数据做预测分类。鉴于计算机数值模拟的可重复性、高效快速性及本文提出的模糊C均值聚类-支持向量机方法的鲁棒性,为便于开展进一步研究,归纳总结了一套行之有效的采用计算机数值模拟技术开展海底底质分类识别研究的一般化流程。     

基于诊断色素分析的胶州湾浮游藻功能类群研究

分析了2003年12月至2004年10月胶州湾18个站位7个航次的浮游藻色素组成(包括叶绿素和类胡萝卜素)。使用岩藻黄素、多甲藻黄素、色素组合(别黄素+19'-丁酰氧基岩藻黄素+19'-己酰氧基岩藻黄素+青绿藻黄素)和玉米黄素作为特定功能类群的诊断色素指标定义了四个浮游藻功能类群(PFTs), 即硅藻、甲藻、微型鞭毛藻和蓝细菌, 并根据各浮游藻功能类群的诊断色素(组合)占诊断色素总量的比例研究了各功能类群在胶州湾的时空分布特点, 结果表明硅藻是胶州湾的优势类群(平均占65.8%), 微型鞭毛藻次之(26.0%), 甲藻和蓝细菌最低(分别为6.3%和1.9%)。基于诊断色素指标的浮游藻功能类群分析是一种简便的判断优势浮游藻类群组成和丰度的方法。     

实验室混合藻种的光谱分解方法研究

颗粒物吸收是海洋水色的重要因子.现有的规范方法将颗粒吸收分成浮游植物色素吸收与非色素颗粒物吸收两部分,没有对浮游植物色素吸收作进一步的分离.然而,自然界海水中存在多种藻类都会影响浮游植物的吸收.不同藻类包含的色素种类和组成比例各不相同,实际上,海水中浮游植物色素吸收是多种藻类吸收的综合反映.从不同藻种的吸收光谱特征研究入手,分析了小球藻、扁藻、裸甲藻的吸收光谱特征,研究了多藻种自然混合状态下的光谱分解方法.研究结果表明,混合藻种吸收光谱分解技术是水体藻类信息提取的一种有效方法.     

羟基自由基杀灭压载水中有害赤潮物种的生物有效性研究

本研究采用大气压下强电离放电协同气液混溶技术,高效制备羟基自由基(·OH)杀灭3个门的典型有害赤潮物种,使用荧光染色、测定光合作用潜能等生物学检测方法确定·OH致死阈值。结果表明,5.05×104 cells/mL的赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo)、5.28×104 cells/mL的亚历山大藻(Alexandrium tamarense)和5.02×104 cells/mL的中肋骨条藻(Skeletonema costatum),其致死阈值分别为1.24 mg/L、2.01 mg/L、1.12 mg/L,此时其叶绿素a分解率分别为77%、85%和74%。利用光学显微镜观察,处理前后藻细胞结构有明显的改变。因此,·OH致死方法可有效地杀灭压载水中的有害赤潮藻。     

北部湾涠洲岛红色赤潮藻的分子鉴定

为了弄清北部湾涠洲岛6株疑似红色赤潮藻（Akashiwo sanguinea）株的种类,作者采用光学显微镜和荧光显微镜对其进行形态学初步鉴定;并对藻株SSU rDNA、LSU rDNA和ITS序列测序,利用最大似然法构建系统发育树。结果表明,北部湾涠洲岛6株藻与红色赤潮藻形态特征基本符合;3种序列系统发育树分析均发现北部湾涠洲岛6株藻与不同海域来源的红色赤潮藻聚在同一大分支上,自展值高达99、100、100;与来自亚洲海域的韩国安山株、新加坡株、中国厦门港株序列差异最小,亲缘关系最近,而与其他地理来源的红色赤潮藻序列差异大,亲缘关系较远。红色赤潮藻SSU、LSU、ITS种内遗传距离分别为0.001~0.008、0.003~0.025和0.045~0.406,明显小于该藻与其他裸甲藻科（Gymnodiniaceae）藻属下的种间遗传距离0.032~0.072、0.165~0.222和0.589~1.559,因此可确定北部湾涠洲岛6株藻均为红色赤潮藻。研究结果将为北部湾海域赤潮生物来源与组成、赤潮的发生与管理提供基础信息。     

基于支持向量机分类的海州湾赤潮判别

近年来,海州湾赤潮暴发日益频繁,对当地经济发展和生态安全构成严重威胁.本文以海州湾2004～2006年每年5～10月赤潮实测资料和同期的水文气象资料为研究对象,首先通过因子分析的方法降低模型的维数,在17种与赤潮生消过程有密切联系的环境要素的基础上提取出营养盐、温度、耗氧量和pH值、水动力、降水等共计7个特征因子.然后对因子分析的结果结合赤潮状况利用支持向量机建立赤潮状况判别模型,采用径向基函数(RBF)作为核函数,并通过选择合适的模型参数组合,取得了90%以上的平均判别正确率,可以为沿海生产和管理部门发布赤潮预警信息提供依据.     

应用免疫荧光技术对三种赤潮藻的研究

为探索和建立免疫学结合荧光技术对赤潮生物的定性、定量检测,制备了3种粒径不同的赤潮藻——赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo)、共生甲藻(Symbiodinium sp)、链状亚历山大藻(Alexandrium catenella)的多克隆抗体,并采用封闭吸附处理以提高抗体的特异性;采用间接酶联免疫法检测了抗体的效价;结果表明未经吸附处理的赤潮异弯藻、共生甲藻的效价分别为1:41 000,1:18 000以上,显示是高亲合力的抗体;链状亚历山大藻抗体的效价达到1:3 500,相比另两种藻的效价较低;吸附处理后的3种多克隆抗体的特异性明显提高,而效价有所下降。3种多克隆抗体与各自藻细胞均有很强的结合力,赤潮异弯藻和共生甲藻的荧光信号均匀分布于细胞表面,链状亚历山大藻细胞的荧光信号在细胞表面分布不均匀,主要集中在腹部横沟内。制备的多克隆抗体只与自身藻细胞结合,与另外2种藻细胞无交叉反应。链状亚历山大藻抗体只与自身藻细胞结合,与塔马亚历山大藻无交叉反应,可作为同属内不同种的鉴别。结合了免疫学和荧光技术,具有特异、灵敏、直观和简便的优点,并且费用低,对于开拓赤潮准确定性、定量检测方法和技术具有重要价值。     

赤潮的高光谱监测及预警方法

有害赤潮发生频度有逐年增加的趋势, 建设赤潮的早期监测和预警系统是一个难点。文章研究表明, 珠江口赤潮前后, 叶绿素a浓度和细胞密度变化范围分别为0.9—31.1mg•m-3 和1.28×104 —1.76×106cell•L-1, 优势藻为聚生角毛藻; 高光谱辐射计获取的光漫射衰减系数、遥感反射率和荧光强度可反演叶绿素a浓度和细胞密度, 其中反演叶绿素a浓度的平均相对均方根差(RRMS)为30.6%、33.8%和77.4%, 而反演细胞密度的平均RRMS为83.6%、83.9%和136.4%。因高光谱辐射计可以获取每小时或者更短时间尺度的数据, 因此, 装备了高光谱辐射计的光学浮标可用于赤潮监测与预警系统。     

米氏凯伦藻(Km02)共培养细菌群落的研究

米氏凯伦藻作为我国沿岸典型的有毒赤潮甲藻,近年来赤潮频度越来越密,赤潮规模越来越大,持续时间也越来越长,造成了严重的经济损失,并且威胁到海洋生态系统的健康。众多研究表明藻际细菌可能是影响赤潮生消与有毒藻产毒的关键生物影响因子。为揭示米氏凯伦藻共培养菌群的物种多样性信息,本文通过高通量测序技术手段,分析了我国沿岸产米氏凯伦藻(Km02)共培养菌群的种类、丰度、多样性及系统发育信息。结果显示,米氏凯伦藻(Km02)共培养菌群共有40个种与已有数据库匹配,隶属于4个门(Phylum),11个纲(Class),21个目(Order),26个科(Family),37个属(Genus)。其中优势菌属有8个(5%),分别为Balneola(20.28%)、 Marinobacter(19.25%)、Rhodobacteraceae科下的未知属(13.15%)、Alteromonas (8.88%)、Methylophaga (8.17%)、Thalassospira(6.24%)、Reichenbachiella (5.92%)及Mesoflavibacter (5.41%)。研究结果表明我国沿岸产米氏凯伦藻(Km02)含有生物多样性较高的共培养菌群,且具有探寻未知海洋细菌的潜力,同时该研究结果也为未来更进一步研究细菌群落对米氏凯伦藻赤潮暴发与消亡,以及产毒特性等机制的研究提供了实验方法与奠定了理论基础。     

小球藻、盐藻光学特性的初步试验研究

利用分光光度计和赤潮生物快速检测仪对盐藻、小球藻的光谱特性、显微图像和荧光图像作了对比研究。结果表明:盐藻和小球藻都在400~450 nm之间(对应胡罗卜素)和650~700 nm之间(对应叶绿素)有吸收峰,但盐藻在近红外波段(960 nm附近)还有一峰值。泥沙的吸光值随波长增加单调递减。盐藻的荧光图像呈现红色,当有泥沙存在时,盐藻的荧光会被泥沙散射,该现象对于通过荧光图从泥沙中分辨藻是不利的。     

强壮前沟藻生消过程中水色组分吸收特性

依据2011-07强壮前沟藻藻种培养实验期间的实测数据,分析了其生消过程中各水色组分的吸收特性。结果表明:在生消过程的始末阶段,以非色素颗粒物和有色可溶性有机物(CDOM)吸收为主,中间阶段,则以浮游植物吸收为主。浮游植物吸收光谱在440nm和675nm存在明显的特征峰;在整个生消周期内先上升后降低,直至消失;非色素颗粒物和CDOM吸收光谱随波长增加均呈指数衰减趋势,前者光谱幅高先增后减,但后者变化无明显规律。各水色组分与叶绿素质量浓度均存在一定的相关关系,无论在生长期或是消亡期,浮游植物、非色素颗粒物吸收系数与叶绿素质量浓度存在正相关关系;但CDOM吸收系数与叶绿素质量浓度在生长期存在正相关关系,而在消亡期变为负相关关系。这可作为改进赤潮水体叶绿素质量浓度遥感算法、有效判别赤潮以及识别赤潮优势藻种等的科学依据。     

分子生物学技术在赤潮毒素分析监测中的应用

有毒赤潮事件的频繁爆发,不仅对海洋生物及自然资源造成了极大的危害,还严重威胁到公众健康。因此,各国都在积极寻求快速灵敏的检测方法,加强对赤潮毒素的分析及监测。现代分子生物学技术的发展为新型快速检测方法的建立提供了可能。对利用分子生物学技术对赤潮毒素进行检测的几种方法——全细胞PCR法、DNA探针法及信使基因细胞受体法进行了讨论。这些新技术旨在检测出环境中的痕量赤潮毒素和有害生物,杜绝赤潮毒素或有毒藻进入到食物链,从而最大限度保护公众健康、水环境及自然资源。     

塔玛亚历山大藻对卤虫干重及能值的影响

研究了有毒赤潮藻塔玛亚历山大藻Alexandrium tamarense对甲壳动物卤虫的干重及能值的影响.实验表明,经过18h的染毒实验,7 500尾卤虫Artemia parthenogenetica在水体中有塔玛亚历山大藻细胞或过滤液(细胞密度均为200cells·ml-1)存在的情况下,其总干重及总能值的增加明显受到抑制.卤虫总干重,对照组增加0.010 4g,而滤液组和藻细胞组均增加了0.002 2g,仅为对照组的21.1%;卤虫总能值,对照组增加0.143 5kJ,而滤液组和藻细胞组则分别增加0.018 0kJ和0.056 8kJ,分别为对照组的39.5%和12.5%.经SAS软件分析,塔玛亚历山大藻细胞对卤虫总干重的影响与对照组比较有显著性差异(p=0.037 0),而对其总能值增加则无显著差异(p=0.1251);而塔玛亚历山大藻过滤液对卤虫的总干重、总能值的增加与对照组都有显著性差异(p分别为0.021 5和0.013 5).另外,无论是藻细胞或是过滤液对卤虫的比能值均无影响.有毒塔玛亚历山大藻使卤虫总干重减少可影响其他相关海洋动物的食物供给,而对卤虫能值的影响则表明毒藻可改变食物链中能量的传递效率,从而影响处于较高营养层的生物.研究还显示该藻的不利影响可出现在赤潮发生期及消退期,这为全面了解赤潮危害提供新的视角.     

大亚湾一次赤潮生消期间浮游植物群落变化研究

2003年8月12日至29日,广东省大亚湾的哑铃湾海域发生了小规模的赤潮,经现场跟踪监测发现是由锥状斯氏藻Scrippsiel latrochoidea和海洋卡盾藻Chattonella marina形成的混合赤潮。8月13日浮游植物群落由锥状斯氏藻占绝对优势,密度达6.52×106cells·L-1,占总细胞数量的99%以上;8月19日为赤潮高峰期,锥状斯氏藻密度最高时达5.59×107cells·L-1,约占总细胞数量的91%;而海洋卡盾藻在8月20日密度达到最大值1.17×107cells·L-1,约占总细胞数量的28%。以锥状斯氏藻、海洋卡盾藻占总细胞数量比例的不同,可将各站分为锥状斯氏藻控制区、海洋卡盾藻控制区及混合区3类,随环境条件的不断变化,这2种藻的数量随之变化,此3类区也处于变化之中。与海洋卡盾藻相比,锥状斯氏藻更适于在温度较高、盐度较低的情况下生长。还初步探讨了赤潮长时间持续的原因。