海洋浮游植物三维荧光光谱的逐层分类方法研究.pdf

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1、第。2卷第，8期中国海洋大学学报。2(，．8)．11，～，25垫!!笙!旦!!堡!!翌!垒!：竺!竺三垒翌!竺!∑兰竺!!翌旦!!竺!!垒』尘!：!!!!海洋浮游植物三维荧光光谱的逐层分类方法研究+李鸿羽1’2，张前前1’2”，王修林1’2，刘金涛3，张凯临4(中吲海洋大学1．化学化工学院；2．海洋化学理沧与工程技术教育部重点实验窀；3．电子工程系；4．海洋遥感研究所，山东青岛266100)摘要：提出活体海洋浮游植物三维荧光光谱逐层分类法，将浮游植物区分为不同的“光谱类别”。选取中国近海常见的26种分属于甲藻、硅藻、黄藻、金藻、隐藻、绿藻、蓝藻的浮游植物，在室温20℃和

2、3个光照条件下培养，在第3，6，9，12。15天测其三维荧光光谱。采用主成份分析结合非负最小二乘【口11J]法(NNLSR)，以浮游植物叶绿素口的发射峰680nin所对应的激发光谱作为第一特征谱以区分门类，以EX730谱作为硅藻的逐层分类的第二特征谱，SY350谱作为甲藻的第二特征谱，将实验所用9种硅藻和8种甲藻各划分为3个光谱类别；分析405个浮游植物混合物，门类识别正确率大于94％，光谱类别的识别正确率为75％，该方法可用于海洋浮游植物种群结构变化的快速宏观监测。关键词：逐层分类；浮游植物；三维荧光光谱；光谱类别中圈法分类号：Q657．3；Q949．2文献标志码：A

3、文章编号：1672—5174(2012)7—8—117-09浮游植物作为海洋中主要的初级生产者，其种类和数量的变化对海洋生态系统有重要的影响。为满足海洋环境监测及赤潮预警的需要，浮游植物种类和数量的快速自动检测方法在近年成为研究热蔚1’引。其中，荧光技术因其能够直接检测活体浮游植物的色素等荧光物质成为现场实时自动监测的首选睁引，例如德国bbe-moldaenke公司的荧光藻类分析仪，利用浮游植物激发光谱的几个离散的波长点特征实现了在门类水平上识别浮游植物和叶绿素含量测定。2001年以来，我国研究者对浮游植物的荧光光谱特征进行了系统研究，解决了浮游植物三维荧光光谱相似性度

4、量指标等基本问题r6]，建立了浮游植物光谱游库[7。，提出以激发光谱450rim附近的荧光峰差异区分硅藻和甲藻f8]，对单一浮游植物通过聚类分析或判别分析即可鉴定到种。对于实验室自配的浮游植物混合物以及实际海水中的浮游植物混合物，目前的研究集中在利用各种化学计量学方法，如主成份分析[7-107或平行因子分析口“1。12]、高斯分解[13。、小波分析[14_15]、小波变换与神经网络相结合[1⋯、遗传算法等提取浮游植物三维荧光光谱的指纹特征(连续的、离散的或组合的)，建立特征谱库，通过多元统计分析如非负最小二乘回归法(NNLSR)，以期在属的水平上识别浮游植物。然而，海洋

5、浮游植物单细胞体内主要色素等荧光物质的组成与其形态学分类的属之间没有必然的关系，某些不同属的浮游植物光谱也可能具有显著的相似性而无法区分，加之基于萃取浮游植物色素进行分类的高效液相色谱法尚且以实现纲以下水平的浮游植物分类为展望[17-19]，因此，单纯利用活体浮游植物荧光光谱时，将待测浮游植物混合物区分为不同的“光谱类别”更为现实和合理[11-12]。本文在前述研究的基础上提出浮游植物三维荧光光谱的逐层分类的方法，即基于分步骤分类的思想，首先根据第一特征谱在门类水平上分类，然后在确定的门类中根据第二特征谱再进行光谱类别的分类。这样，利用各层的特征光谱，逐层缩小待检光谱所

6、属范畴，达到细致分类的目的，以实现海洋浮游植物种群结构变化的快速宏观监测和赤潮预警。1实验部分1．1浮游植物培养本实验选取中国近海常见浮游植物26种，列于表1，其中甲藻8种，硅藻9种，黄藻1种，金藻、隐藻、绿藻和蓝藻各2种。在实验室光照培养箱内采用单种一次培养法。实验前进行藻种活化，在无菌条件下将藻接于新鲜的f／2培养液中，每日摇动2～3次，待生长到指数生长期，重新接种，如此反复接种2～3次，至藻状态良好，用于扩大培养实验。培养条件为20℃，3个光照水平(6000、lO000、150001x)，光源用白色冷荧光灯管，光暗比12h：12h。接种密度控制在约为104／mL，

7、同一种藻保持相同起始密度。·基金项目：国家高技术研究发展计划项目(2002AA639620j．2004AA639620}2006AA092148)资助收稿Ft期：2011_06—20；修订H期：2012—04—23作肯简介：李鸿羽(1989一)，女，博士生。E—mail：lixx0864@umn．edu¨通讯作者：E—mail：qqzhang@OUC．edu．∞中国海洋大学学报表l本实验所用浮游植物’Table1Phytoplanktonspeciesincludedintheinvestigation1．2三维荧光光谱测量使用HimcN