基于小波分析的東海浮游植物種類熒光光譜識(shí)別技術(shù)研究.pdf

1、中國近海赤潮頻發(fā)、影響范圍擴(kuò)大、持續(xù)時(shí)間增長，在一定程度上制約了中國沿海省市海洋經(jīng)濟(jì)，甚至損害了公眾健康。迫切需要建立一種現(xiàn)場、快速、實(shí)時(shí)的浮游植物群落組成識(shí)別技術(shù)，以實(shí)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(shí)對(duì)赤潮引發(fā)種的識(shí)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(shí)別測定技術(shù)主要局限于兩大類：a.對(duì)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(jìn)行監(jiān)測。尚沒有針對(duì)中國近海具體海區(qū)的特定浮游植物群落優(yōu)勢種的識(shí)別技術(shù)，也沒有一種針對(duì)赤潮發(fā)生時(shí)對(duì)赤潮引發(fā)種進(jìn)行識(shí)別及數(shù)量測定的現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)。 本文在對(duì)中國近海海域赤潮與非赤湖期間浮游植物群落組成特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，選取實(shí)驗(yàn)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(gè)門10個(gè)綱30個(gè)屬：其中甲藻2綱6屬9種，包括塔瑪亞歷山大藻Alexandrium tamarense、強(qiáng)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(xì)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(xì)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(lán)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(jìn)行研究，對(duì)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(jìn)行了綜合分析，闡述了應(yīng)用三維熒光光譜識(shí)別

8、浮游植物種類的可行性；分別針對(duì)已商業(yè)化的熒光分光光度計(jì)及要自行開發(fā)的高靈敏度、低能耗、便攜式藻類自動(dòng)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(shí)別技術(shù)；并初步建立了以葉綠素濃度為指標(biāo)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(diǎn)：a.中國近海海

9、域在非赤潮期間多以1～2個(gè)門類的多種浮游植物為優(yōu)勢種，單種優(yōu)勢度一般不會(huì)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(shí)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)及相關(guān)性系數(shù)(IAC)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(jìn)行分析，

10、闡述了應(yīng)用三維熒光光譜識(shí)別浮游植物種類的可行性：在實(shí)驗(yàn)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(duì)浮游植物的最佳連續(xù)三維熒光光譜部分進(jìn)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(shí)別特征譜；對(duì)浮游植物在不同條件下的分類識(shí)別能力進(jìn)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(shí)別特征譜的標(biāo)準(zhǔn)譜，分別建立了兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)譜庫，在此基礎(chǔ)上，利用非負(fù)最小二乘法建立熒光識(shí)別技術(shù)：對(duì)浮游植物在屬(種)和門類水平上的正確識(shí)別率分別高于86％及96％；可對(duì)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(jìn)行屬層次的識(shí)別，可對(duì)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(jìn)行門類層次的識(shí)別。 4.選擇了12個(gè)激發(fā)波長點(diǎn)(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(duì)浮游植物的離散三維熒光光譜進(jìn)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(shí)別特征譜；對(duì)浮游植物在不同條件下的分類識(shí)別能力進(jìn)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(shí)別特征譜的標(biāo)準(zhǔn)譜，分別建立了兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)譜庫，并利用非負(fù)最小二乘法建立熒光識(shí)別技術(shù)：對(duì)浮游植物在屬(種)和門類水平上的正確識(shí)別率分別高于85％及96％：可對(duì)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(jìn)行屬種層次的識(shí)別，可對(duì)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(jìn)行門類層次的識(shí)別。 5.在買驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)譜庫，可對(duì)單相型赤潮的引發(fā)種進(jìn)行種屬層次的識(shí)別，并可對(duì)979個(gè)浮游植物實(shí)驗(yàn)室混合樣品中的28種優(yōu)勢種及發(fā)生赤潮時(shí)的肇事種實(shí)現(xiàn)