高光譜成像研究Jaczno半混合湖全新世光養(yǎng)生物群落和缺氧動態(tài)
上一期《易科泰樣芯分析技術應用案例》, 我們介紹了利用CORESCANNER X光芯體密度掃描成像與元素分析技術（XRF）和SPECIM樣芯高光譜成像技術（HSI）研究厄瓜多爾火山灰的案例，本期將介紹利用XRF和HSI研究波蘭東北部Jaczno半混合湖全新世光養(yǎng)生物群落和缺氧動態(tài)的案例。
淡水系統(tǒng)缺氧和混合方式改變在全球擴散傳播是日益引起人們關注的主要環(huán)境問題，根據(jù)預測，未來的氣候變化和人類影響將使水生生態(tài)系統(tǒng)日益惡化，對過去這種變化過程和驅(qū)動因素的研究可為將來預防和補救提供巨大助力。瑞士伯爾尼大學的研究人員使用多代理方法，將高分辨率高光譜成像（HSI）獲得的色素數(shù)據(jù)、XRF數(shù)據(jù)與超高效液相色譜葉綠素和類胡蘿卜素數(shù)據(jù)相結合，以研究波蘭東北部Jaczno半混合湖全新世（1萬年以內(nèi)）營養(yǎng)狀態(tài)變化和缺氧演變。研究結果發(fā)表于2020年《Biogeosciences》（Holocene phototrophic community and anoxia dynamics in meromictic Lake Jaczno (NE Poland) using high-resolution hyperspectral imaging and HPLC data）。
研究顯示，9500年前，在盆地形成之后，Jaczno湖就具備了缺氧和硫化物條件；直到6700年前，湖泊的自養(yǎng)能力較低，濁度較高，并且在光養(yǎng)群落中綠色硫細菌（GSB）較為豐富，表明較深的有氧-缺氧邊界和弱分層態(tài)；6700-500年前之間的時期特征是湖泊產(chǎn)量不斷增加，并且從綠色硫細菌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙蚣毦≒SB），這表明有氧-缺氧邊界更淺，分層明顯，然而沉積物中的球狀烯和精胺酮表明存在間歇性缺氧過程；500年前至今，人類影響力逐漸增強，森林砍伐和集約化農(nóng)業(yè)加劇了湖泊的富營養(yǎng)化，紫色硫細菌占據(jù)主導地位，永久性缺氧和半混合態(tài)開始建立，這項研究明確了人類對富營養(yǎng)化和缺氧過程的影響
XRF掃描通過伯爾尼大學實驗室的ITRAX CoreScanner（鉻管）進行，連續(xù)掃描步長為2mm（曝光時間20s，30kv，50mA），結果以計數(shù)（峰面積）的形式給出。從檢測到的元素中，Ti用作流域侵蝕輸入的替代物，Ca用作內(nèi)生碳酸鈣的替代物，Si / Ti用作生物硅的替代物，S、Fe、Mn和Mn / Fe用作表征氧化還原條件的替代物。
同時，研究人員還使用了Specim V10E傳感器（光譜范圍400-1000nm，光譜分辨率2.8nm），對剛采集的半芯樣品進行高光譜成像掃描，后經(jīng)ENVI軟件分析處理得到其相對吸收波段深度（RABD）數(shù)據(jù)。其中RABD673（光譜范圍590–730 nm）用于指示葉綠素及其成巖產(chǎn)物（TChl），代表該階段水體可正常進行初級生產(chǎn)；而RABD845（光譜范圍790–895 nm）用于指示細菌脫鎂葉綠素a和b（Bphe），代表該階段水體處于缺氧或半混合狀態(tài)。由于紫色硫細菌和非硫細菌在有光照的厭氧條件下產(chǎn)生大量Bphe a和b，而綠色硫細菌產(chǎn)生的Bphe c、d和e未被RABD845光譜范圍內(nèi)吸收，因此基于高光譜數(shù)據(jù)推斷的細菌脫鎂葉綠素反映了水體中紫色細菌的含量。
這項研究顯示出結合HPLC數(shù)據(jù)進行校準和驗證的HSI測量的巨大潛力，而Jaczno湖提供了很理想的樣芯，可以探索在自然分層的湖泊系統(tǒng)中，從最小到極強烈的人類影響，可能導致湖泊混合，生產(chǎn)和持續(xù)的底部缺氧的變化機制。該研究，以及歐洲其它湖泊的相關研究，可以極大地擴展人類對這些主要環(huán)境問題的理解，同時為將來實施有效的技術修復提供可行性參考。
研究結果見下圖：
易科泰生態(tài)技術公司提供全面樣芯掃描成像分析技術方案：
主要產(chǎn)品技術：
淡水系統(tǒng)缺氧和混合方式改變在全球擴散傳播是日益引起人們關注的主要環(huán)境問題，根據(jù)預測，未來的氣候變化和人類影響將使水生生態(tài)系統(tǒng)日益惡化，對過去這種變化過程和驅(qū)動因素的研究可為將來預防和補救提供巨大助力。瑞士伯爾尼大學的研究人員使用多代理方法，將高分辨率高光譜成像（HSI）獲得的色素數(shù)據(jù)、XRF數(shù)據(jù)與超高效液相色譜葉綠素和類胡蘿卜素數(shù)據(jù)相結合，以研究波蘭東北部Jaczno半混合湖全新世（1萬年以內(nèi)）營養(yǎng)狀態(tài)變化和缺氧演變。研究結果發(fā)表于2020年《Biogeosciences》（Holocene phototrophic community and anoxia dynamics in meromictic Lake Jaczno (NE Poland) using high-resolution hyperspectral imaging and HPLC data）。
研究顯示，9500年前，在盆地形成之后，Jaczno湖就具備了缺氧和硫化物條件；直到6700年前，湖泊的自養(yǎng)能力較低，濁度較高，并且在光養(yǎng)群落中綠色硫細菌（GSB）較為豐富，表明較深的有氧-缺氧邊界和弱分層態(tài)；6700-500年前之間的時期特征是湖泊產(chǎn)量不斷增加，并且從綠色硫細菌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙蚣毦≒SB），這表明有氧-缺氧邊界更淺，分層明顯，然而沉積物中的球狀烯和精胺酮表明存在間歇性缺氧過程；500年前至今，人類影響力逐漸增強，森林砍伐和集約化農(nóng)業(yè)加劇了湖泊的富營養(yǎng)化，紫色硫細菌占據(jù)主導地位，永久性缺氧和半混合態(tài)開始建立，這項研究明確了人類對富營養(yǎng)化和缺氧過程的影響
XRF掃描通過伯爾尼大學實驗室的ITRAX CoreScanner（鉻管）進行，連續(xù)掃描步長為2mm（曝光時間20s，30kv，50mA），結果以計數(shù)（峰面積）的形式給出。從檢測到的元素中，Ti用作流域侵蝕輸入的替代物，Ca用作內(nèi)生碳酸鈣的替代物，Si / Ti用作生物硅的替代物，S、Fe、Mn和Mn / Fe用作表征氧化還原條件的替代物。
同時，研究人員還使用了Specim V10E傳感器（光譜范圍400-1000nm，光譜分辨率2.8nm），對剛采集的半芯樣品進行高光譜成像掃描，后經(jīng)ENVI軟件分析處理得到其相對吸收波段深度（RABD）數(shù)據(jù)。其中RABD673（光譜范圍590–730 nm）用于指示葉綠素及其成巖產(chǎn)物（TChl），代表該階段水體可正常進行初級生產(chǎn)；而RABD845（光譜范圍790–895 nm）用于指示細菌脫鎂葉綠素a和b（Bphe），代表該階段水體處于缺氧或半混合狀態(tài)。由于紫色硫細菌和非硫細菌在有光照的厭氧條件下產(chǎn)生大量Bphe a和b，而綠色硫細菌產(chǎn)生的Bphe c、d和e未被RABD845光譜范圍內(nèi)吸收，因此基于高光譜數(shù)據(jù)推斷的細菌脫鎂葉綠素反映了水體中紫色細菌的含量。
這項研究顯示出結合HPLC數(shù)據(jù)進行校準和驗證的HSI測量的巨大潛力，而Jaczno湖提供了很理想的樣芯，可以探索在自然分層的湖泊系統(tǒng)中，從最小到極強烈的人類影響，可能導致湖泊混合，生產(chǎn)和持續(xù)的底部缺氧的變化機制。該研究，以及歐洲其它湖泊的相關研究，可以極大地擴展人類對這些主要環(huán)境問題的理解，同時為將來實施有效的技術修復提供可行性參考。
研究結果見下圖：
易科泰生態(tài)技術公司提供全面樣芯掃描成像分析技術方案：
- 高分辨率樣芯（芯體）掃描成像分析，全面反映二維密度/質(zhì)地和化學成分分布
- 巖礦樣芯、海洋湖泊沉積樣芯、樹木年輪樣芯等
- RGB掃描成像與CT技術密度掃描成像
- 高光譜掃描成像分析
- XRF元素掃描分析
- 高通量、非損傷
- 可選配LIBS元素分析
主要產(chǎn)品技術：
- SisuROCK多樣芯高通量高光譜成像掃描分析系統(tǒng)
- SisuSCS單樣芯高光譜成像掃描分析系統(tǒng)
- SisuCHEMA高光譜成像分析系統(tǒng)
- SpectraScan高光譜成像掃描分析系統(tǒng)
- ITRAX CoreScanner樣芯密度與元素掃描分析系統(tǒng)
- ITRAX XRF Scanner 巖礦/湖海樣芯元素掃描分析系統(tǒng)
- ITRAX MultiScanner樹木年輪分析系統(tǒng)
- VIS-NIR P4000土壤樣芯理化性質(zhì)勘測系統(tǒng)
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