光譜成像技術(shù)在有害藻華研究與監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

      藍(lán)藻水華會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的水環(huán)境問(wèn)題，隨著社會(huì)的發(fā)展及全球氣候變暖，赤潮或水華現(xiàn)象頻繁發(fā)生，已成為全球重大環(huán)境問(wèn)題之一。近幾十年來(lái)，有害藻華（HABs）對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、公共衛(wèi)生、生態(tài)系統(tǒng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響都在增加。快速、實(shí)時(shí)地檢測(cè)水體中藻類的群落組成及水質(zhì)情況，不僅可以預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生，還可以掌握赤潮、水華災(zāi)害的爆發(fā)機(jī)理。因此，發(fā)展快速、實(shí)時(shí)的藻類檢測(cè)技術(shù)和水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于預(yù)警及降低經(jīng)濟(jì)損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
 
案例一：高光譜熒光成像技術(shù)用于有害微藻的特征及色素分析
      有害藍(lán)藻繁殖給環(huán)境帶來(lái)惡劣影響，快速可靠的藻類檢測(cè)系統(tǒng)變得尤為重要，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法耗時(shí)且專業(yè)性要求高，并且色素提取對(duì)藻類造成不可逆損害。高光譜成像具有同時(shí)獲取光譜信息和二維空間信息的優(yōu)勢(shì)，可以作為一種快速、可靠、無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)定微藻圖像和該藻種的光譜變化特征，并反映出相對(duì)色素含量。
      來(lái)自深圳科技大學(xué)的研究人員首先基于線掃描的高光譜熒光成像系統(tǒng)成功地獲取了微藻色素的圖像，然后結(jié)合MCR（多元曲線分辨率）優(yōu)化方法分析揭示了熒光色素的光譜特征和位置，并且還能夠獲取色素相對(duì)濃度圖像，另外對(duì)于小球藻，通過(guò)限制MCR分析的波長(zhǎng)范圍，成功提取了類胡蘿卜組分光譜和相對(duì)濃度圖像。研究結(jié)果表明該方法導(dǎo)致水體污染的水花束絲藻、銅綠微囊藻、小球藻 ,預(yù)測(cè)的擬合度分別為1.9151, 1.4875 和 0.3942。
 
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案例二：無(wú)人機(jī)高光譜成像技術(shù)用于藍(lán)藻水華現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)
      傳統(tǒng)的水華監(jiān)測(cè)方法耗時(shí)且成本高，只能在空間和時(shí)間上提供離散位置信息，無(wú)法全面反映整個(gè)水體的狀況。幸運(yùn)的是，遙感技術(shù)提供了一種一致的、時(shí)空的方法來(lái)評(píng)估水質(zhì)，包括檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)藍(lán)藻水華。
      在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)銅綠微囊藻（Microcystis sp.），然后轉(zhuǎn)移到戶外的中試規(guī)模水體中，用UAS搭載的高光譜傳感器收集圖像，并與地面采樣檢測(cè)相結(jié)合，包括實(shí)驗(yàn)室分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地探測(cè)，比較了實(shí)驗(yàn)室（Lab）和現(xiàn)場(chǎng)（Field）方法對(duì)于所有水質(zhì)量指標(biāo)的一致性，并評(píng)估了41種算法的性能。
      研究結(jié)果表明Lab和Field方法對(duì)于所有水質(zhì)量指標(biāo)的一致性很強(qiáng)，算法R²值在0.73到0.87之間，所使用的計(jì)算方法滿足了預(yù)定的性能標(biāo)準(zhǔn)，但藻類生長(zhǎng)階段對(duì)算法性能有顯著影響，并強(qiáng)調(diào)了在大規(guī)模實(shí)地應(yīng)用之前，將傳感器技術(shù)與適當(dāng)?shù)牡孛姹O(jiān)測(cè)方法共同驗(yàn)證的重要性。因此地面采樣和新的遙感技術(shù)可以為水華監(jiān)測(cè)提供強(qiáng)大的方法，但需要更多的研究來(lái)評(píng)估在不同水華群落、細(xì)胞密度、生理狀態(tài)和濁度條件下的算法和水質(zhì)量指標(biāo)的性能。
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案例三：藻類光合測(cè)量技術(shù)用于藍(lán)藻抑制機(jī)理研究
      有害藍(lán)藻及其毒素對(duì)湖泊、水庫(kù)和河流的水質(zhì)構(gòu)成潛在危害，因此去除藍(lán)藻是水處理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，表面活性劑烷基三甲基銨（ATMA），如十八烷基三甲基銨（ODTMA）溴化物被證明能有效抑制藍(lán)藻的光合作用。
      以色列海洋與湖泊研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)水生生物研究所使用兩種藍(lán)藻和兩種綠藻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用便攜式熒光儀AquaPen-C，通過(guò)熒光測(cè)量和顯微觀察來(lái)評(píng)估ATMA溴化物對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞的影響，研究了不同鏈長(zhǎng)的ATMA化合物對(duì)藍(lán)藻和綠藻的毒性效應(yīng)。研究結(jié)果表明，綠藻對(duì)ATMA化合物的敏感性低于藍(lán)藻，ATMA化合物對(duì)藍(lán)藻的光合作用和生長(zhǎng)有顯著抑制作用，且毒性隨著烷基鏈長(zhǎng)度的增加而增加，并基于實(shí)時(shí)熒光信號(hào)和電子顯微鏡揭示的細(xì)胞超結(jié)構(gòu)變化，提出了ATMA陽(yáng)離子的毒性機(jī)制，因此，ATMA表面活性劑可能成為控制藍(lán)藻水華的有效工具。
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參考文獻(xiàn)：
[1] Lijin L ,Xuejuan H ,Zhenhong H , et al.Pigment analysis based on a line-scanning fluorescence hyperspectral imaging microscope combined with multivariate curve resolution.[J].PloS one,2021,16(8):e0254864-e0254864.
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[3] Xingqiang W ,Yehudit V ,Yunlu J , et al.Alkyltrimethylammonium (ATMA) surfactants as cyanocides - Effects on photosynthesis and growth of cyanobacteria[J].Chemosphere,2021,274129778-129778.