基于熒光特征的海洋浮游植物快速分類方法研究.pdf

1、三維熒光光譜法靈敏度高，能給出整個(gè)激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)的全部熒光指紋信息，是一種可以實(shí)現(xiàn)直接、快速進(jìn)行浮游植物種類和數(shù)量分析的方法。本論文旨在通過(guò)提取光譜特征，結(jié)合多種化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，建立基于熒光特征的海洋浮游植物快速分類方法，該分類介于生物形態(tài)分類的門(mén)類(Division)和屬(Genus)之間。 選取25種分屬于5個(gè)門(mén)類的浮游植物赤潮種或優(yōu)勢(shì)種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，包括7種甲藻：塔瑪亞歷山大藻(Alexandrium tamare

2、nse)、東海原甲藻(Prorocentrum micans)、海洋原甲藻(Prococentrum marinum)、裸甲藻(Gymnodinium sp)、簡(jiǎn)裸甲藻(Gymnodinium simplex)、微型原甲藻(Prorocentrum minimum)、錐狀斯比藻(Scrippsiella trochoidea)10種硅藻：尖刺擬菱形藻(Pseudo-nitzschiapungens(PSO201-01))、中肋骨條藻(S

3、keletonema costatuma)、圓篩藻(Coscinodiscus sp.)、細(xì)柱藻(Cylindrotheca closterium)、盒形藻(Odontella cf sinensis)、旋鏈角毛藻(Chaetoceros Curvisetus)、纖細(xì)角毛藻(Chaetoceros Debilis)、雙突角毛藻(Chaetoceros Didymus)、圓海鏈藻(Thalassiosi raromla)、布氏雙尾藻(Di

4、tylum brightwellii)：2種綠藻：小球藻(Chlorella pynenoidosa)、島國(guó)大扁藻(Platymonas helgolanidica)2種藍(lán)藻：聚球藻(Synechocoocus sp.)、魚(yú)腥藻(Cyanophyceae Anabaena sp.)；4種著色鞭毛藻：棕囊藻(Phaeocystisglobosa)、隱藻(Rhodomonas sp.)、鹽水隱藻(Rhodomonas salina)、海洋卡

5、盾藻(Chattonella marina)，在不同實(shí)驗(yàn)條件下，包括3個(gè)溫度水平(25℃、20℃、15℃)、5個(gè)光照水平(15000lux、10000lux、7000lux、4100lux、1180lux)，對(duì)海洋浮游植物的三維熒光光譜進(jìn)行了研究。主要研究包括： 1.研究了基于熒光特征的海洋浮游植物的“光譜類別”。 首先對(duì)原三維熒光光譜去除瑞利散射，采用主成分分析法(PCA)提取特征光譜。以平均相似系數(shù)R和第一主成分貢獻(xiàn)

6、率S1/m∑i=1Si兩個(gè)度量指標(biāo)考察特征光譜的相似性。結(jié)果顯示，兩種相似性度量指標(biāo)變化趨勢(shì)基本相同，S1/m∑i=1Si的變化趨勢(shì)相對(duì)明顯。為了對(duì)浮游植物進(jìn)行分類判別，首先依據(jù)相似性度量和系統(tǒng)聚類分析結(jié)果，對(duì)每種藻提取一到多條譜代表原特征光譜，共得到25種藻的30條代表譜。結(jié)合比值法、系統(tǒng)聚類法和基于主成分分析的特征投影顯示法，將25種藻劃分成10個(gè)“光譜類別”，該類別定義以浮游植物的熒光光譜為基礎(chǔ)，介于生物學(xué)概念中“門(mén)類”和“屬”之

7、間，以Bayesian判別法驗(yàn)證了劃分類別的有效性。 2.以標(biāo)準(zhǔn)葉綠素a(Ch1α)為基準(zhǔn)考察了方法的檢出限。 首先，觀察標(biāo)準(zhǔn)Ch1α的三維和激發(fā)熒光光譜，本文選取發(fā)射波長(zhǎng)665nm，激發(fā)波長(zhǎng)380、410、430nm三處熒光強(qiáng)度的均值，作為對(duì)應(yīng)濃度Ch1α的熒光強(qiáng)度值，得到Ch1α標(biāo)準(zhǔn)曲線。采用IUPAC法計(jì)算方法得出檢出限為0.065μg/L；采用ISO新估算法得到定性檢出限為1.85μg/L，定量檢出限為2.77μ

8、g/L。然后，考察了本實(shí)驗(yàn)儀器條件下活體浮游植物熒光光譜法的檢出限。選取三維熒光光譜中發(fā)射波長(zhǎng)670-680nm，激發(fā)波長(zhǎng)440nm處熒光強(qiáng)度的均值，與上述選定的標(biāo)準(zhǔn)Ch1α的熒光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，以標(biāo)準(zhǔn)Ch1α濃度來(lái)表示浮游植物的豐度。根據(jù)IUPAC得到活體浮游植物的檢出限為0.10μg/L；根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到每種藻的實(shí)際檢出限在2.5-20.0μg/L之間。 3.建立了活體浮游植物熒光光譜的分析識(shí)別方法。 采用遍歷非負(fù)最小二乘法

9、(NNLS)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的660個(gè)單種樣品和105個(gè)混合樣品進(jìn)行分析，討論了物種數(shù)的確定與拆分正確率的規(guī)定，選定拆分系數(shù)的閾值為0.2。在本文所確定的“光譜類別”上，單種浮游植物樣品熒光光譜的識(shí)別正確率幾乎達(dá)100％；全部混合樣品的定性正確率為87％，剔除濃度低于實(shí)際檢出限的樣品后所剩的95個(gè)混合樣品的定性正確率可以達(dá)到95％。 綜上所述，本文基于25種藻的大量光譜數(shù)據(jù)，劃分了10個(gè)“光譜類別”，運(yùn)用NNLS法對(duì)單種藻和混合藻樣品