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溶解有机物三维荧光光谱结合多变量分析在赤潮藻识别中的应用

吕桂才  
【摘要】:有害赤潮肆虐对我国沿海的海洋生态、资源、环境造成了严重的破坏和重大的经济损失。要预防和减少有害赤潮灾害,首先要能够准确、实时地对发生赤潮的肇事藻种进行识别测定,荧光技术因具有仪器简单、灵敏度高和易于实现现场实时检测等优点而受到广泛的关注。 目前根据浮游植物活体三维荧光光谱对浮游植物进行种类识别的研究已经取得了一定的成果,而利用浮游植物生长过程中藻滤液的三维荧光光谱进行赤潮藻种类识别的研究还未见报道,本文从赤潮藻滤液的三维荧光光谱着手,选择了我国沿海常见的10种赤潮藻,在实验室条件下进行培养,分别利用平行因子分析、主成分分析和小波分析对赤潮藻生长过程中藻滤液的三维荧光光谱进行特征提取,并用多元线性回归对赤潮藻进行识别测定。 (1)应用平行因子分析对赤潮藻滤液三维荧光光谱进行分析,得到了各赤潮藻的特征光谱,不同赤潮藻的特征光谱之间存在差异,聚类结果显示同属赤潮藻特征光谱相似性较高。赤潮藻各组分最大荧光峰强度与生长阶段显示出一定的关系:在指数生长期,藻滤液中类蛋白和类腐殖质荧光物质不断积累,稳定期滤液中类色氨酸和类腐殖质荧光物质快速增加,主要来自衰老和死亡细胞的破碎释放,以及细菌降解作用。这和本实验室以往的研究结果一致,说明平行因子分析可以有效的提取赤潮藻荧光特征,并考察赤潮藻各组分荧光峰强度和生长阶段的关系。 (2)主成分分析在赤潮藻识别中的应用。应用主成分分析对赤潮藻滤液的三维荧光光谱数据进行特征提取,根据Bayes判别的结果选取第一主成分载荷谱作为识别特征谱,利用聚类分析法得到识别标准谱,用多元线性回归(以非负最小二乘法解析)对赤潮藻进行识别。原甲藻属的东海原甲藻和海洋原甲藻的正确识别率较低,其他3种甲藻识别率≧95%,对于硅藻,中肋骨条藻和柔弱角毛藻正确识别率较低,其他3种硅藻识别率≧83%,在属水平上,角毛藻属的正确识别率为96%。 (3)小波分析在赤潮藻识别中的应用。分别用3种小波函数coif2、db-3和db-7对赤潮藻滤液的三维荧光光谱进行特征提取,根据Bayes判别的结果分别选择第三层尺度分量作为识别特征谱。利用聚类分析方法得到了每种小波函数的识别标准谱。分别用这3种标准谱以多元线性回归法对赤潮藻进行识别,3种标准谱对东海原甲藻、中肋骨条藻和柔弱角毛藻的正确识别率较低,对其他藻种识别率≧80%。在属水平上,3种标准谱对角毛藻属的三种赤潮藻的识别率都为96%。 (4)4种标准谱对中肋骨条藻和柔弱角毛藻的识别率很低,其他相对较高,其中db-3标准谱的识别结果最好。为进一步提高正确识别率乃至实现现场数据的识别,还要进一步对不同温度、不同光照组合条件下培养的赤潮藻样品进行特征提取,并对混合藻的光谱特征提取及拆分进行研究。


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