基于荧光特征的海洋浮游植物快速分类方法研究

论文摘要

三维荧光光谱法灵敏度高,能给出整个激发、发射波长范围内的全部荧光指纹信息,是一种可以实现直接、快速进行浮游植物种类和数量分析的方法。本论文旨在通过提取光谱特征,结合多种化学计量学方法,建立基于荧光特征的海洋浮游植物快速分类方法,该分类介于生物形态分类的门类（Division）和属（Genus）之间。选取25种分属于5个门类的浮游植物赤潮种或优势种进行实验室培养,包括7种甲藻:塔玛亚历山大藻（Alexandrium tamarense）、东海原甲藻（Prorocentrum micans）、海洋原甲藻（Prococentrum marinum）、裸甲藻（Gymnodinium sp.）、简裸甲藻（Gymnodinium simplex）、微型原甲藻（Prorocentrum minimum）、锥状斯比藻（Scrippsiella trochoidea）;10种硅藻:尖刺拟菱形藻（Pseudo-nitzschia pungens （PS0201-01））、中肋骨条藻（Skeletonema costatuma）、圆筛藻（Coscinodiscus sp.）、细柱藻（Cylindrotheca closterium）、盒形藻（Odontella cfsinensis）、旋链角毛藻（Chaetoceros Curvisetus）、纤细角毛藻（Chaetoceros Debilis）、双突角毛藻（Chaetoceros Didymus）、圆海链藻（Thalassiosi rarotula）、布氏双尾藻（Ditylum brightwellii）;2种绿藻:小球藻（Chlorella pynenoidosa）、岛国大扁藻（Platymonas helgolanidica）;2种蓝藻:聚球藻（Synechocoocus sp.）、鱼腥藻（Cyanophyceae Anabaena sp.）;4种着色鞭毛藻:棕囊藻（Phaeocystis globosa）、隐藻（Rhodomonas sp.）、盐水隐藻（Rhodomonas salina）、海洋卡盾藻（Chattonella marina）,在不同实验条件下,包括3个温度水平（25℃、20℃、15℃）、5个光照水平（15000 lux、10000 lux、7000 lux、4100 lux、1180 lux）,对海洋浮游植物的三维荧光光谱进行了研究。主要研究包括:1.研究了基于荧光特征的海洋浮游植物的“光谱类别”。首先对原三维荧光光谱去除瑞利散射,采用主成分分析法（PCA）提取特征光谱。以平均相似系数R和第一主成分贡献率S1/两个度量指标考察特征光谱的相似性。结果显示,两种相似性度量指标变化趋势基本相同,S1/的变化趋势相对明显。为了对浮游植物进行分类判别,首先依据相似性度量和系统聚类分析结果,对每种藻提取一到多条谱代表原特征光谱,共得到25种藻的30条代表谱。结合比值法、系统聚类法和基于主成分分析的特征投影显示法,将25种藻划分成10个“光谱类别”,该类别定义以浮游植物的荧光光谱为基础,介于生物学概念中“门类”和“属”之间,以Bayesian判别法验证了划分类别的有效性。2.以标准叶绿素a （Chl a）为基准考察了方法的检出限。首先,观察标准Chl a的三维和激发荧光光谱,本文选取发射波长665 nm,激发波长380、410、430 nm三处荧光强度的均值,作为对应浓度Chl a的荧光强度值,得到Chl a标准曲线。采用IUPAC法计算方法得出检出限为0.065μg/L;采用ISO新估算法得到定性检出限为1.85μg/L,定量检出限为2.77μg/L。然后,考察了本实验仪器条件下活体浮游植物荧光光谱法的检出限。选取三维荧光光谱中发射波长670-680 nm,激发波长440 nm处荧光强度的均值,与上述选定的标准Chl a的荧光强度相对应,以标准Chl a浓度来表示浮游植物的丰度。根据IUPAC得到活体浮游植物的检出限为0.10μg/L;根据实验得到每种藻的实际检出限在2.5-20.0μg/L之间。3.建立了活体浮游植物荧光光谱的分析识别方法。采用遍历非负最小二乘法（NNLS）对实验设计的660个单种样品和105个混合样品进行分析,讨论了物种数的确定与拆分正确率的规定,选定拆分系数的阈值为0.2。在本文所确定的“光谱类别”上,单种浮游植物样品荧光光谱的识别正确率几乎达100%;全部混合样品的定性正确率为87%,剔除浓度低于实际检出限的样品后所剩的95个混合样品的定性正确率可以达到95%。综上所述,本文基于25种藻的大量光谱数据,划分了10个“光谱类别”,运用NNLS法对单种藻和混合藻样品的定性定量分析验证了此光谱分类的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 荧光分析技术在浮游植物分析中的应用
• 1.2 荧光分析与其他方法相结合的研究
• 1.3 本文的研究目标和内容
• 2 实验部分
• 2.1 仪器和试剂
• 2.2 浮游植物培养
• 2.3 光谱测量
• 2.4 光谱数据的预处理与数据集
• 3 基于荧光特征的浮游植物种类识别研究
• 3.1 浮游植物荧光光谱的特征提取
• 3.2 浮游植物特征荧光光谱的相似性度量
• 3.3 基于特征荧光光谱的浮游植物的分类
• 3.3.1 浮游植物代表谱的形成
• 3.3.2 浮游植物特征光谱的比值分析
• 3.3.3 浮游植物代表谱的系统聚类分析和特征投影显示
• 3.3.4 浮游植物特征光谱的 Bayesian 判别分析
• 3.4 结论
• 4 基于特征荧光光谱的浮游植物定性定量分析
• 4.1 基于标准 Chl a 的定量分析
• 4.1.1 Chl a 标准曲线
• 4.1.2 精密度
• 4.1.3 检出限
• 4.2 活体浮游植物荧光分析法的检出限
• 4.2.1 IUPAC 检出限
• 4.2.2 实际检出限
• 4.3 浮游植物样品的荧光分析
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢