藍(lán)藻水華會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的水環(huán)境問題，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)境問題之一。近幾十年來，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)的藻類檢測技術(shù)和水質(zhì)檢測技術(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)境帶來惡劣影響，快速可靠的藻類檢測系統(tǒng)變得尤為重要，傳統(tǒng)的檢測方法耗時(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、無損檢測系統(tǒng)，測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，通過限制MCR分析的波長范圍，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；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；左下圖：小球藻全光譜的MCR分析：按序號(hào)依次為類胡蘿卜素、Chla濃度分布圖以及Chla和LCHⅡ的純光譜曲線；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：無人機(jī)高光譜成像技術(shù)用于藍(lán)藻水華現(xiàn)場原位監(jiān)測

      傳統(tǒng)的水華監(jiān)測方法耗時(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)空的方法來評(píng)估水質(zhì)，包括檢測、監(jiān)測和預(yù)測藍(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，并與地面采樣檢測相結(jié)合，包括實(shí)驗(yàn)室分析和現(xiàn)場實(shí)地探測，比較了實(shí)驗(yàn)室（Lab）和現(xiàn)場（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)測提供強(qiáng)大的方法，但需要更多的研究來評(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，用于視覺參考。下圖：UAS高光譜傳感器收集的每個(gè)現(xiàn)場空間的時(shí)間序列圖像，每個(gè)圖表示不同場地樣品在第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（B、D、F）測得的浮游植物平均生長指標(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測量值的比較，灰色圓圈表示來自實(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)場測量值。右圖：基于水質(zhì)指標(biāo)對(duì)活性生長期與全周期組的算法性能指標(biāo)進(jìn)行比較，算法性能通過葉綠素a、藻藍(lán)蛋白和濁度的算法誤差和R2值來評(píng)估。

儀器技術(shù)方案推薦：

Ecodrone無人機(jī)遙感技術(shù)。中圖：日照海岸帶海水養(yǎng)殖無人機(jī)遙感調(diào)查（與中國海洋大學(xué)合作）；右圖：海岸帶地形地貌測繪

Ecodrone®無人機(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繪、藻類生產(chǎn)力分析評(píng)估、有毒有害藻監(jiān)測、水華爆發(fā)預(yù)警監(jiān)測、海洋生態(tài)污染（如石油泄漏）調(diào)查等

案例三：藻類光合測量技術(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，通過熒光測量和顯微觀察來評(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有顯著抑 制作用，且毒性隨著烷基鏈長度的增加而增加，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手持式藻類熒光測量儀、Monitoring Pen葉綠素?zé)晒庾詣?dòng)監(jiān)測儀、AOM藻類熒光在線監(jiān)測系統(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有害藻類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)公司提供藻類研究監(jiān)測全面技術(shù)方案：

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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 multiv ariate curve resolution.[J].PloS one,2021,16(8):e0254864-e0254864.

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