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《中国海洋大学》 2008年
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基于小波分析的东海浮游植物种类荧光光谱识别技术研究

张芳  
【摘要】: 中国近海赤潮频发、影响范围扩大、持续时间增长,在一定程度上制约了中国沿海省市海洋经济,甚至损害了公众健康。迫切需要建立一种现场、快速、实时的浮游植物群落组成识别技术,以实现赤潮的常规和应急监测.浮游植物的三维荧光光谱表现出明显的指纹特性,在浮游植物群落组成测定及赤潮发生时对赤潮引发种的识别测定方面具有很大的应用潜力。但是,目前能够应用的浮游植物群落组成荧光识别测定技术主要局限于两大类;a.对某类具有显著荧光特征的浮游植物的测定;b.将浮游植物粗略的分为几大类后进行监测。尚没有针对中国近海具体海区的特定浮游植物群落优势种的识别技术,也没有一种针对赤潮发生时对赤潮引发种进行识别及数量测定的现场监测技术。 本文在对中国近海海域赤潮与非赤潮期间浮游植物群落组成特点进行总结的基础上,选取实验室培养的38种东海主要浮游植物(多为赤潮种及优势种,分属7个门10个纲30个属:其中甲藻2纲6属9种,包括塔玛亚历山大藻Alexandrium tamarense、强壮前沟藻Amphidinium carterae、锥状斯比藻Scrippsiella trochoidea、裸甲藻Gymnodinium spp.、简裸甲藻Gymnodinium simplex、东海原甲藻Prorocentrum donghaiense、微小原甲藻Prorocentrum minimum、海洋原甲藻Prococentrum marinum及米氏凯伦藻Kareniamikimotoi,硅藻2纲9属12种,包括尖刺拟菱形藻Pseudo-nitzschia pungens、中肋骨条藻Skeletonema costatuma、圆海链藻Thalassiosira rotula、新月菱形藻Nitzschia closterium、丹麦细柱藻Leptocylindrus danicus、布氏双尾藻Ditylum brightwellii、盒形藻Odontellacf_sinensis、辐射圆筛藻Coscinodiscophyceae Coscinodiscus cf_radiatus、圆筛藻Coscinodiscophyceae Coscinodiscus Jp.、旋链角毛藻Chaetoceros curvisetus、柔弱角毛藻Chaetoceros debilis及双突角毛藻Chaetoceros didymus:金藻2纲5属5种,包括球等鞭金藻Isochrysis galbana、小三毛金藻Prymneium parvum、颗石藻Gephyrocapsa oceanica、球形棕囊藻phaeocystis globosa及六异刺硅鞭藻Distephanus speculum;绿藻1纲4属5种,包括岛国大扁藻Platymonas helgolanidica、亚心型扁藻platymonas subcordiforus、细小微胞藻Micromonas pusilla、盐生杜氏藻Dunaliella salina及小球藻Chlorella pynenoidosa;黄藻1纲2属2种,包括赤潮异湾藻Heterosigma akashiwo及海洋卡盾藻Chattonella marine;隐藻1纲1属2种.包括隐藻Rhodomonas sp.及盐沼隐藻Rhodomonas salina:蓝藻1纲3属3种,包括聚球藻Synechococcus sp.、螺旋藻Spirulina sp.及鱼腥藻Anabaena sp.)进行研究,对活体浮游植物的三维荧光光谱的测量精密度、培养重现性、稳定性(生长期、光照、温度)及不同种类浮游植物的光谱差异性等进行了综合分析,阐述了应用三维荧光光谱识别浮游植物种类的可行性;分别针对已商业化的荧光分光光度计及要自行开发的高灵敏度、低能耗、便携式藻类自动分析仪。基于连续三维荧光光谱及离散三维荧光光谱,利用小波分析等方法建立丁东海浮游植物赤潮种及优势种的识别技术;并初步建立了以叶绿素浓度为指标参数的东海浮游植物(半)定量分析方法,为建立东海赤潮生物种类现场监测技术提供了重要基础。取得的主要成果如下: 1.比较系统地总结了中国近海赤潮生物、浮游植物优势种及群落结构特点:a.中国近海海域在非赤潮期间多以1~2个门类的多种浮游植物为优势种,单种优势度一般不会超过75%,而总门类优势度多在90%以上,甚至接近100%;b.中国近海海域以单相型赤潮为主,发生赤潮时绝大多数肇事藻的优势度大于90%,甚至接近100%;双相型赤潮的两种优势种的总优势度也在90%以上,甚至接近100%。 2.以相对标准偏差(RSD)及相关性系数(IAC)为标准,对不同三维荧光光谱部分的测量精密度、重现性、稳定性及不同种类差异性等进行分析,阐述了应用三维荧光光谱识别浮游植物种类的可行性:在实验室研究条件下,绝大多数浮游植物的三维荧光光谱具有良好的测量精密度、培养重现性、稳定性(生长期、光照及温度),大多数不同属(种)的藻间表现出明显的差异性。获得了最佳连续三维荧光光谱部分(Ex=400~600 nm,Em=650~670 nm)。 3.以两类小波函数(db7及coif2小波)对浮游植物的最佳连续三维荧光光谱部分进行特征提取,获得了不同层次的尺度分量及小波分量,以Fisher判别法选择了尺度分量及小波分量识别特征谱;对浮游植物在不同条件下的分类识别能力进行了分析,并以系统聚类法提取浮游植物两类小波函数的尺度分量及小波分量识别特征谱的标准谱,分别建立了两级标准谱库,在此基础上,利用非负最小二乘法建立荧光识别技术:对浮游植物在属(种)和门类水平上的正确识别率分别高于86%及96%;可对现场样品中胞密度大于5×10~6 cell L~(-1)的赤潮优势种(Pr、Al、诺登海链藻、聚生角毛藻)进行属层次的识别,可对不发生赤潮的浮游植物群落(胞密度为10~5~10~6 cell L~(-1))优势种进行门类层次的识别。 4.选择了12个激发波长点(400 nm,430 nm,450 nm,460 nm,470 nm,490 nm,500nm,510 nm,525 nm,550 nm,570 nm及590 nm)在650~700 nm范围内发射光谱组成离散三维荧光光谱,以两类小波函数(db3及coif2小波)对浮游植物的离散三维荧光光谱进行分解,获得了不同层次的尺度分量及小波分量,以Fisher判别法选择了尺度分量及小波分量识别特征谱;对浮游植物在不同条件下的分类识别能力进行了分析,并以系统聚类法提取浮游植物两类小波函数的尺度分量及小波分量识别特征谱的标准谱,分别建立了两级标准谱库,并利用非负最小二乘法建立荧光识别技术:对浮游植物在属(种)和门类水平上的正确识别率分别高于85%及96%:可对现场样品中胞密度约为10~7 cell L~(-1)的赤潮优势种(Pr、诺登海链藻、聚生角毛藻)进行属种层次的识别,可对不发生赤潮的浮游植物群落(胞密度为10~5-10~6 cell L~(-1))优势种进行门类层次的识别。 5.在实验室初步建立了活体浮游植物叶绿素荧光(半)定量分析方法,方法的检测限约为8μgL~(-1),叶绿素的最佳线性范围为20~200μg L~(-1)。 本论文的创新之处在于基于小波分析等方法建立了东海主要浮游植物的标准谱库,可对单相型赤潮的引发种进行种属层次的识别,并可对979个浮游植物实验室混合样品中的28种优势种及发生赤潮时的肇事种实现属层次的识别,在属层次上的识别正确率大于85%,门类层次上的识别正确率大于96%。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:X55;TP79

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【参考文献】
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6 胡俊;黄邦钦;;台湾海峡南部浮游植物对不同水团的响应研究[A];庆祝中国藻类学会成立30周年暨第十五次学术讨论会摘要集[C];2009年
7 陈立;张福崇;方笑;王六顺;;昌黎扇贝养殖区浮游植物种类与硅藻类赤潮的初步研究[A];中国动物学会、中国海洋湖沼学会贝类学会分会第十四次学会研讨会论文摘要汇编[C];2009年
8 殷大聪;宋立荣;;丹江口库区浮游植物季节动态演替规律[A];庆祝中国藻类学会成立30周年暨第十五次学术讨论会摘要集[C];2009年
9 徐先栋;王海华;盛银平;黄江峰;饶毅;;大水面养殖水域浮游植物初步调查及鲢、鳙鱼产力评估——以太子河为例[A];渔业科技创新与发展方式转变——2011年中国水产学会学术年会论文摘要集[C];2011年
10 刘蔚然;林丽贞;黄邦钦;;南海北部珠江冲淡水对浮游植物磷胁迫的影响[A];庆祝中国藻类学会成立30周年暨第十五次学术讨论会摘要集[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 任秋凌;研究发现海洋食物源正在迅速消失[N];中国海洋报;2010年
2 ;全球气候变暖结恶果 浮游植物生命力下降[N];新华每日电讯;2003年
3 辛良;一滴水里的生命[N];中国矿业报;2000年
4 本报记者 周仲全;往海里撒点铁?[N];辽宁日报;2008年
5 本报记者 钱炜;B计划,拯救人类的最后一根稻草?[N];科技日报;2009年
6 若洁;海水施肥缓解全球暖化?[N];中国商报;2002年
7 维佳;往海水中撒铁[N];中国环境报;2001年
8 林蒲田;“特殊耕地”说池塘[N];湖北科技报;2001年
9 钟声;浮游生物[N];大众科技报;2002年
10 光阴;海中森林的基因秘密[N];中国商报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘诚刚;中国近海浮游植物光合溶解有机碳生产研究[D];中国海洋大学;2012年
2 孔凡洲;长江口赤潮区浮游植物的粒级结构、种类组成和色素分析[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2012年
3 张芳;基于小波分析的东海浮游植物种类荧光光谱识别技术研究[D];中国海洋大学;2008年
4 宋书群;黄、东海浮游植物功能群研究[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2010年
5 翟红昌;基于HPLC技术的南海北部浮游植物色素与群落结构研究[D];中国海洋大学;2010年
6 张前前;东海典型赤潮藻检测的荧光光谱特征研究[D];中国海洋大学;2005年
7 宫响;南海北部次表层叶绿素最大值特征的理论分析及数值模拟研究[D];中国海洋大学;2012年
8 李超伦;海洋桡足类摄食生态及其对浮游植物的摄食压力[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2002年
9 陈小燕;基于遥感的长时间序列浮游植物的多尺度变化研究[D];浙江大学;2013年
10 苟万里;rDNA序列在几种浮游植物的分类和中肋骨条藻定量检测中的应用[D];中国海洋大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈坤;浮游植物瑞利散射光谱分析[D];中国海洋大学;2007年
2 李鸿羽;遗传算法提取荧光指纹特征的浮游植物分析方法研究[D];中国海洋大学;2009年
3 杨浩文;广东省星湖的水质与富营养化分析[D];武汉大学;2004年
4 张莹莹;Pb(Ⅱ)对海洋浮游植物生长的影响[D];中国海洋大学;2004年
5 田春;巢湖东半湖浮游植物分布特征及富营养化评价[D];安徽农业大学;2005年
6 王波;七种/株原甲藻的核糖体18S、28S、5.8S、ITS1和ITS2基因和区域的克隆与变异分析[D];中国海洋大学;2005年
7 张敏;北京鸿华高尔夫球场人工湖富营养化及其成因的研究[D];北京林业大学;2009年
8 杨晓新;翡翠贻贝对浮游植物滤食压力的研究[D];暨南大学;2000年
9 李秀芹;应用双特异分子探针技术对圆海链藻(Thalassiosira rotula)进行定性定量检测研究[D];中国海洋大学;2005年
10 刘凯然;珠江口浮游植物生物多样性变化趋势[D];大连海事大学;2008年
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