【摘要】：三維熒光光譜法靈敏度高,能給出整個激發(fā)、發(fā)射波長范圍內(nèi)的全部熒光指紋信息,是一種可以實現(xiàn)直接、快速進(jìn)行浮游植物種類和數(shù)量分析的方法。本論文旨在通過提取光譜特征,結(jié)合多種化學(xué)計量學(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)分類的門類(Division)和屬(Genus)之間。 選取25種分屬于5個門類的浮游植物赤潮種或優(yōu)勢種進(jìn)行實驗室培養(yǎng),包括7種甲藻:塔瑪亞歷山大藻(Alexandrium tamarense)、東海原甲藻(Prorocentrum micans)、海洋原甲藻(Prococentrum marinum)、裸甲藻(Gymnodinium sp.)、簡裸甲藻(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-nitzschia pungens (PS0201-01))、中肋骨條藻(Skeletonema 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 rarotula)、布氏雙尾藻(Ditylum brightwellii);2種綠藻:小球藻(Chlorella pynenoidosa)、島國大扁藻(Platymonas helgolanidica);2種藍(lán)藻:聚球藻(Synechocoocus sp.)、魚腥藻(Cyanophyceae Anabaena sp.);4種著色鞭毛藻:棕囊藻(Phaeocystis globosa)、隱藻(Rhodomonas sp.)、鹽水隱藻(Rhodomonas salina)、海洋卡盾藻(Chattonella marina),在不同實驗條件下,包括3個溫度水平(25℃、20℃、15℃)、5個光照水平(15000 lux、10000 lux、7000 lux、4100 lux、1180 lux),對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)率S1/兩個度量指標(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)變化趨勢基本相同,S1/的變化趨勢相對明顯。為了對浮游植物進(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“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“門類”和“屬”之間,以Bayesian判別法驗證了劃分類別的有效性。 2.以標(biāo)準(zhǔn)葉綠素a (Chl a)為基準(zhǔn)考察了方法的檢出限。首先,觀察標(biāo)準(zhǔn)Chl a的三維和激發(fā)熒光光譜,本文選取發(fā)射波長665 nm,激發(fā)波長380、410、430 nm三處熒光強(qiáng)度的均值,作為對應(yīng)濃度Chl a的熒光強(qiáng)度值,得到Chl a標(biāo)準(zhǔn)曲線。采用IUPAC法計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2.77μg/L。然后,考察了本實驗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670-680 nm,激發(fā)波長440 nm處熒光強(qiáng)度的均值,與上述選定的標(biāo)準(zhǔn)Chl a的熒光強(qiáng)度相對應(yīng),以標(biāo)準(zhǔn)Chl a濃度來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)實驗得到每種藻的實際檢出限在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別方法。采用遍歷非負(fù)最小二乘法(NNLS)對實驗設(shè)計的660個單種樣品和105個混合樣品進(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%,剔除濃度低于實際檢出限的樣品后所剩的95個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“光譜類別”,運用NNLS法對單種藻和混合藻樣品的定性定量分析驗證了此光譜分類的有效性。
【圖文】：

a 三維熒光光譜特征 b 同步熒光光譜c 瑞利散射光譜圖1-1 浮游植物的熒光光譜特征綜上所述，對浮游植物的定性識別在門類上已取得了較為理想的結(jié)果，但進(jìn)一步細(xì)分的結(jié)果不甚理想；在方法的定量方面，尚且沒有進(jìn)行較為細(xì)致的研究。6

圖 3-1 25 種藻的特征熒光光譜觀察圖 3-1，藻種 Gy、Sc、Ps、Sk 和 Ch 的光譜相似性較好，而 Al、Gs、Cs、Cl、Db、Cy、Rs 的相似性較差。這一方面是由于培養(yǎng)條件的變化引起的，一方面結(jié)合生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)的觀察，，也可能是由于藻種的培養(yǎng)密度偏低所致。對 25 種藻的特征熒光光譜，本文使用平均相關(guān)系數(shù)R和第一主成分貢獻(xiàn)率S1/ 兩個指標(biāo)分別考察每種藻光譜的相似性�！�=miiS13.2 浮游植物特征熒光光譜的相似性度量相關(guān)系數(shù)ρxy是一個用來度量兩隨機(jī)變量之間關(guān)系的緊密程度的指標(biāo)。其計算公式為=∑ ∑ ∑ 22( xx)(yy)/(xx)(yy)xykkkkρ ,n111
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：P734.4

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本文編號：2671768