浮游植物光合作用活性原位测量方法与系统研制

【摘要】：水体富营养化与饮用水安全预警是当今世界各国共同关注的热点问题和环境科学难题,浮游植物大量增殖形成的“水华”和“赤潮”严重危害人类身心健康和经济可持续发展。光合作用活性原位测量可以获取水体浮游植物的生长状态信息,是“水华”和“赤潮”监测和预警的重要参数。目前缺少可用于浮游植物光合作用活性原位测量的方法和设备。论文研究了基于叶绿素荧光技术的浮游植物光合作用活性原位测量方法,研发了浮游植物光合作用活性原位测量系统,实现了浮游植物光合作用活性的原位在线测量。 通过对淡水湖泊富营养化水体优势浮游植物的活体荧光光谱特性研究,结合脉冲振幅调制技术和饱和脉冲方法,获取了活体浮游植物叶绿素荧光特征,揭示了叶绿素荧光在光合作用过程中的探针作用,通过计算可以得到浮游植物在光合作用过程中将光能转化为化学能的效率——光合作用活性。 研究了各波段LED在不同光强激发下浮游植物叶绿素荧光诱导特性,确定了用于激发本底色素荧光的光强范围,为浮游植物光合作用活性原位测量系统研制提供数据支持；在上述研究过程中提取出各波段LED激发的本底色素荧光／入射光强,得到了离散的激发光谱并与三维荧光光谱仪的数据对比,验证了实验系统的性能；比较各波段吸收率数据,提供不同浮游植物样本PSII吸收和荧光发射效率信息,为不同浮游植物的光合作用活性测量中激发光源的波长选取提供参考；活体和失活样本的对比测量结果充分揭示活体浮游植物叶绿素荧光与其他分子荧光的区别,通过活体叶绿素荧光量子产率的变化可以获取浮游植物的光合作用活性大小。 根据光合作用活性测量原理提出了基于Ft和Fm的浮游植物光合作用活性原位测量方法,设计了以LED和激光二极管为激发光源的浮游植物光合作用活性原位测量系统,利用该系统实现了浮游植物光合作用活性的实时、原位在线测量。文中详细介绍了设计思路以及硬件和软件的设计方案,通过对实验室配制的浮游植物样品测量,分析了系统的线性、稳定性、重复性等性能指标,为了提升仪器在实际应用中的适用性,采用可变增益技术实现了高灵敏度和宽动态范围的准确荧光测量。 利用浮游植物光合作用活性原位测量系统对巢湖西半湖的浮游植物光合作用活性进行了连续原位测量,同时采用实验室离线分析仪器WATER-PAM对10个取样点位的浮游植物样品进行对比测试。结果表明：原位测量系统得到的浮游植物光合作用活性与离线分析仪器的测量结果具有良好的相关性,蓝藻和绿藻的相关系数分别为：0.9778和0.7768。对比实验结果表明了原位测量系统实际应用的可靠性。

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O439