东海典型赤潮藻检测的荧光光谱特征研究
浮游植物种类和数量的监测是海洋科学研究中一项例行的基础性工作，随着全球，特别是我国近海赤潮频发，迫切需要一种能够直接、快速进行浮游植物种类和数量分析的方法。三维荧光光谱灵敏度高，能给出整个激发、发射波长范围内的全部荧光指纹信息，通过提取三维荧光光谱的特征，应用化学计量学方法可以直接进行多组分混合物的定性、定量的分析。但目前国内外尚未见有应用活体浮游植物三维荧光光谱进行赤潮藻种类识别和数量测量的报道。
本文选取中国东海赤潮多发区11种分属于五个门类的典型浮游植物赤潮种、优势种(包括甲藻2种：塔玛亚历山大藻Alexandriumtamarense，东海原甲藻Prorocentrumdonghaiense；硅藻6种：尖刺拟菱形藻Pseudo-nitzschiapungens，中肋骨条藻Skeletonemacostatuma，新月菱形藻Nitzschiaclosterium，旋链角毛藻Chaetoceroscurvisetus，柔弱角毛藻Chaetocerosdebilis，双突角毛藻Chaetocerosdiaymus；金藻1种：等鞭金藻Isochrysisgalbana；绿藻1种：岛国大扁藻Platymonashelgolanidica；蓝藻1种：聚球藻Synechococcussp.)，对不同温度、光照、生长期条件下单-浮游植物活体的三维荧光光谱特征进行了研究，在纲(Class)或更细层次识别典型浮游植物，为开发低价、简便的赤潮藻荧光分析仪奠定技术基础。本论文的主要研究成果如下：
1.对“悬浮液”活体浮游植物样品的三维荧光光谱的量测精密度和相似性进行了研究。定义了两个三维光谱的相对误差，发现平行测量2次与平行测量8次，其平均相对误差的差异小于1％，因此确定正式实验采取平行测量两次。11种浮游植物平行样的三维荧光光谱，其相对误差多数在10％以内，只有个别藻，如尖刺拟菱形藻略差，达15％；去除Rayleigh散射后的三维光谱，相对误差多数在5％以内。为了比较活体浮游植物样品的三维荧光光谱的相似性，首先对2个温度、3个光照，6种浮游植物的511个三维荧光光谱数据(数据集1)进行奇异值分解，然后计算样本数据对应主成分间的相关系数，取前K个主成分间的相关系数的平均值作为三维光谱相似性的度量指标。K值的选取兼顾“同类高、异类低、区分能力强、波动程度小”等多方面的原则，本工作发现取K取值30左右较合适，相关系数阈值取0.3时，同类分辨错误率为0.35，异类分辨错误率为0.093，即可以将不同的藻的光谱很好地分开，但同种藻的光谱相似性不理想，这一方面表明：不同温度、光照和生长期条件下，同种藻的光谱存在差异；另一方面提示：需要消除Rayleigh散射等对活体浮游植物样品的三维荧光光谱的干扰。
2.对活体浮游植物的三维荧光光谱特征提取方法进行了研究。活体浮游植物样品的三维荧光光谱中有一级、二级Rayleigh散射，本论文采取简单置零的方法去除Rayleigh散射的干扰。采用不同的特征提取处理方式，得到了四种候选的特征光谱。其中，第四类采取降维的方法，对去除Rayleigh散射后的三维光谱的95-99行(发射波长：670-690nm)进行奇异值分解，相应于激发光谱的第一主成分具有区分物种的能力，可作为三维光谱的特征光谱(CharDV1)。特征谱图直观表明，在实验条件下，等鞭金藻，岛国大扁藻和中肋骨条藻的特征光谱相似度很高，其它藻种光谱相似度略差。温度相同时，同类物种光谱相似程度均提高。应用Bayes判别分析，对特征光谱的有效性和重现性进行了验证，结果表明在15℃和20℃的各种训练集、测试集组合情况下，不计六种硅藻的互判错误率，判别错误率低于9％；涉及25℃的各种训练集、测试集组合中，不计六种硅藻的互判错误率，判别错误率低于16％。本论文还应用相关系数、第二大奇异值与第一大奇异值之比S2/S1度量了多条光谱的相似性，结果与谱图直观一致。对同一种藻在一定条件下的特征光谱进行奇异值分解，第一主成分即可作为该藻的典型特征谱。结果表明20℃条件下：聚球藻(蓝藻)的典型特征光谱与其它藻的光谱显著不同，它在短波长处出现最高峰。岛国大扁藻(绿藻)和等鞭金藻(金藻)在275nm附近没有峰，使之明显区别于与实验所用的8种甲藻和硅藻，而且它们之间的细微差别可以将二者清楚地区分开。尽管属于甲藻、硅藻的8种浮游植物在275nm和450nm附近处都有峰，但是甲藻塔玛亚历山大藻和东海原甲藻的最大峰出现在大于450nm处，硅藻的最大峰出现在小于450nm处，这使得甲藻可与硅藻区分开来。实验所用的6种硅藻，除中肋骨条藻(骨条藻属)外，另外5种藻，尖刺拟菱形藻，新月菱形藻，旋链角毛藻、柔弱角毛藻和双突角毛藻的典型特征谱极为相似；同为角毛藻属的三种藻的典型特征谱几乎相同。
3.对活体浮游植物的精细荧光特征进行了研究，并通过系统聚类分析建立了浮游植物的标准荧光光谱谱库。利用“组间离差与组内离差之比SSB/SSW”的方法对特征光谱(CharDV1)继续提取特征量，SSB/SSW为1时得到20个波长点，选择了17个波长点作为特征量；对CharDU1光谱目视取了三个波段，共8个波长点，组合作为“精细光谱特征”。判别分析表明，由CharDV1的17个特征量以及CharDV1的17个特征量与CharDU1的8个特征量组合得到的浮游植物的精细特征的分类识别能力尚未超过CharDV1特征谱，具有更强区分能力的特征需要进一步通过“逐步判别分析“等方法来提取。利用系统聚类分析对每种藻的特征光谱(CharDV1)进行分类，以相关系数作为样本间距离的度量指标，当相关系数为0.7时，等鞭金藻Is，岛国大扁藻Pl，东海原甲藻Pr，双突角毛藻Di聚球藻Sy分别得到1个标准谱；塔玛亚历山大藻Al，尖刺拟菱形藻Ps，中肋骨条藻Sk，旋链角毛藻Cu和柔弱角毛藻De分别得到2个标准谱；新月菱形藻Cl得到3个标准谱。即用这种方法建立的标准荧光光谱谱库中，现有的11种藻，每种藻可有1至3条标准谱。
4.对混合藻的光谱拆分方法进行了研究。采用遍历非负最小二乘法(Non-negativeLeastSquare)对实验设计的210个混合藻进行拆分。讨论了物种数的确定与拆分正确率的规定，选定阈值为0.25，可以将混合藻的1～3个主要成分识别，可以区分本实验所用的甲藻、硅藻，正确率为76％。2004年5月东海赤潮海水样品拆分结果与生物计数结果比较，主成分定性正确，定量达到同一数量级。
综上所述，本论文率先对活体浮游植物三维荧光光谱的特征提取进行了研究，依据所建立的特征谱库，运用遍历非负最小二乘法，可以将实验室混合藻及实际海水样品中的硅藻和甲藻分开。
赤潮藻;三维荧光光谱;奇异值分解;特征光谱;光谱相似性;浮游植物
中国海洋大学
博士
海洋化学
王修林
2005
中文
S944.349;Q949.2;O657.31
118
2006-07-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）