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?？焖?、實(shí)時(shí)地檢測(cè)水體中藻類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(zhuān)業(yè)性要求高，并且色素提取對(duì)藻類(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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。
高光譜熒光圖像及光譜數(shù)據(jù)(a)水華束絲藻的預(yù)彩色疊加圖像；（b）銅綠微囊藻的預(yù)彩色圖像；（c）小球藻的預(yù)彩色疊加圖像；（d）水華束絲藻的平均光譜；（e）銅綠微囊藻的平均光譜；（f）小球藻的平均光譜。
左上圖：水華束絲藻細(xì)胞的MCR分析，按序號(hào)依次為PBS、Chla濃度分布圖，以及該色素的純光譜曲線(xiàn)；右上圖：銅綠微囊藻的MCR分析，按序號(hào)依次為PBS、Chla濃度分布圖，以及該色素的純光譜曲線(xiàn)；左下圖：小球藻全光譜的MCR分析：按序號(hào)依次為類(lèi)胡蘿卜素、Chla濃度分布圖以及Chla和LCHⅡ的純光譜曲線(xiàn)；右下圖：小球藻光譜選擇的MCR分析，按序號(hào)依次為選擇光譜區(qū)(470 ~ 574 nm)分析得到的類(lèi)胡蘿卜素、Chla、LCHⅡ濃度圖像，以及小球藻純組分光譜、在512nm激發(fā)下提取了574 nm以上的發(fā)射光譜。
儀器技術(shù)方案推薦：
FKM葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)，左圖中包括了進(jìn)行葉綠素?zé)晒夤庾V分析的SM9000高靈敏度光譜儀
FluorTron多功能高光譜成像分析系統(tǒng)，具備多激發(fā)光葉綠素?zé)晒夤庾V成像功能，可客戶(hù)定制顯微級(jí)成像系統(tǒng)。右圖依次為：瓊脂培養(yǎng)藍(lán)藻、藍(lán)藻葉綠素?zé)晒饧t色波段峰值（685nm）成像、藍(lán)藻葉綠素?zé)晒夤庾V（樣品由中科院植物所提供）。
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(hù)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(mǎn)足了預(yù)定的性能標(biāo)準(zhǔn)，但藻類(lèi)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。
上圖：研究區(qū)域和SkyCrane無(wú)人機(jī)的航拍圖像：（i）白色特氟龍涂層參考靶、（ii）Spectralon校準(zhǔn)靶，用于圖像校準(zhǔn)、（iii）彩色面板，用于視覺(jué)參考。下圖：UAS高光譜傳感器收集的每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)空間的時(shí)間序列圖像，每個(gè)圖表示不同場(chǎng)地樣品在第0天、第7天、第10天和第11天的平均高光譜反射率特征，其中插圖是RGB彩色圖像。
左圖：在實(shí)驗(yàn)室（A、C、E）和現(xiàn)場(chǎng)（B、D、F）測(cè)得的浮游植物平均生長(zhǎng)指標(biāo)葉綠素a（A、B）、藻藍(lán)蛋白（C、D）、濁度（E、F）指標(biāo)。中圖：算法指標(biāo)值與全周期葉綠素a測(cè)量值的比較，灰色圓圈表示來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的葉綠素a濃度，黑色方塊表示經(jīng)算法計(jì)算的每個(gè)指數(shù)值的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值。右圖：基于水質(zhì)指標(biāo)對(duì)活性生長(zhǎng)期與全周期組的算法性能指標(biāo)進(jìn)行比較，算法性能通過(guò)葉綠素a、藻藍(lán)蛋白和濁度的算法誤差和R2值來(lái)評(píng)估。
儀器技術(shù)方案推薦：
Ecodrone無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)。中圖：日照海岸帶海水養(yǎng)殖無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查（與中國(guó)海洋大學(xué)合作）；右圖：海岸帶地形地貌測(cè)繪
Ecodrone?無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)可搭載高光譜成像、紅外熱成像、LiDAR激光雷達(dá)等，應(yīng)用于海岸帶地形地貌測(cè)繪、藻類(lèi)生產(chǎn)力分析評(píng)估、有毒有害藻監(jiān)測(cè)、水華爆發(fā)預(yù)警監(jiān)測(cè)、海洋生態(tài)污染（如石油泄漏）調(diào)查等
案例三：藻類(lèi)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。
銅綠微囊藻培養(yǎng)物暴露于不同濃度的ODTMA-Br后90分鐘內(nèi)，其光合效率Qy（左圖）和葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度Ft（中圖）的變化；暴露于不同濃度ODTMA-Br的藍(lán)藻和綠藻培養(yǎng)物48小時(shí)后PSII量子產(chǎn)率（Qy）的測(cè)量（右圖）。
左圖：暴露于0.1 mM ODTMA-Br后20或60 min采集的自動(dòng)熒光（配備高分辨率相和藻藍(lán)蛋白激發(fā)/發(fā)射模塊，獲取圖像）；中圖：暴露于0.1 mM、1 mM ODTMA-Br和對(duì)照組在120 min后，水花束絲藻和銅綠微囊藻的自身熒光強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系；右圖：暴露于0.01 mM ODTMA-Br前后的銅綠微囊藻（A-C）、水花束絲藻（D-F）和綠藻小球藻（G、H）的超微結(jié)構(gòu)。
儀器技術(shù)方案推薦：
由上到下、從左至右依次為：AquaPen手持式藻類(lèi)熒光測(cè)量?jī)x、Monitoring Pen葉綠素?zé)晒庾詣?dòng)監(jiān)測(cè)儀、AOM藻類(lèi)熒光在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、FKM多光譜熒光動(dòng)態(tài)顯微成像系統(tǒng)、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)。使用便攜式高光譜成像儀檢測(cè)有害藻類(lèi)受到脅迫后的光合效率及生理生態(tài)特征變化。
北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供藻類(lèi)研究監(jiān)測(cè)全面技術(shù)方案：
·FMT150藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
·ET-PSI大型藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
·MC1000 8通道藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
·光養(yǎng)生物反應(yīng)器技術(shù)/定制化藻類(lèi)培養(yǎng)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
·FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)
·AlgaTech?藻類(lèi)光譜成像分析全面技術(shù)方案
·FluorTron多功能高光譜成像系統(tǒng)
·藻類(lèi)光合測(cè)量?jī)x
·Ecodrone?輕便型一體式多光譜-紅外熱成像無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)
·Ecodrone?一體式高光譜-紅外熱成像-激光雷達(dá)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)
·全自動(dòng)水體化學(xué)成分與營(yíng)養(yǎng)鹽分析與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)
參考文獻(xiàn)：
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