易科泰光譜成像技術(shù)在有害藻華研究與監測領(lǐng)域的應用

藍藻水華會(huì )引發(fā)嚴重的水環(huán)境問(wèn)題，隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展及全球氣候變暖，赤潮或水華現象頻繁發(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）對全球經(jīng)濟、公共衛生、生態(tài)系統和水產(chǎn)養殖的影響都在增加?？焖?、實(shí)時(shí)地檢測水體中藻類(lèi)的群落組成及水質(zhì)情況，不僅可以預防災害的發(fā)生，還可以掌握赤潮、水華災害的爆發(fā)機理。因此，發(fā)展快速、實(shí)時(shí)的藻類(lèi)檢測技術(shù)和水質(zhì)檢測技術(shù)對于預警及降低經(jīng)濟損失具有重要的現實(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

有害藍藻繁殖給環(huán)境帶來(lái)惡劣影響，快速可靠的藻類(lèi)檢測系統變得尤為重要，傳統的檢測方法耗時(shí)且專(zhuān)業(yè)性要求高，并且色素提取對藻類(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，可以作為一種快速、可靠、無(wú)損檢測系統，測定微藻圖像和該藻種的光譜變化特征，并反映出相對色素含量。

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成功地獲取了微藻色素的圖像，然后結合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濃度圖像，另外對于小球藻，通過(guò)限制MCR分析的波長(cháng)范圍，成功提取了類(lèi)胡蘿卜組分光譜和相對濃度圖像。研究結果表明該方法導致水體污染的水花束絲藻、銅綠微囊藻、小球藻 ,預測的擬合度分別為1.9151, 1.4875 和 0.3942。

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案例二：無(wú)人機高光譜成像技術(shù)用于藍藻水華現場(chǎng)原位監測

傳統的水華監測方法耗時(shí)且成本高，只能在空間和時(shí)間上提供離散位置信息，無(wú)法全面反映整個(gè)水體的狀況。幸運的是，遙感技術(shù)提供了一種一致的、時(shí)空的方法來(lái)評估水質(zhì)，包括檢測、監測和預測藍藻水華。

在實(shí)驗室條件下培養銅綠微囊藻（Microcystis sp.），然后轉移到戶(hù)外的中試規模水體中，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合，包括實(shí)驗室分析和現場(chǎng)實(shí)地探測，比較了實(shí)驗室（Lab）和現場(chǎng)（Field）方法對于所有水質(zhì)量指標的一致性，并評估了41種算法的性能。

研究結果表明Lab和Field方法對于所有水質(zhì)量指標的一致性很強，算法R²值在0.73到0.87之間，所使用的計算方法滿(mǎn)足了預定的性能標準，但藻類(lèi)生長(cháng)階段對算法性能有顯著(zhù)影響，并強調了在大規模實(shí)地應用之前，將傳感器技術(shù)與適當的地面監測方法共同驗證的重要性。因此地面采樣和新的遙感技術(shù)可以為水華監測提供強大的方法，但需要更多的研究來(lái)評估在不同水華群落、細胞密度、生理狀態(tài)和濁度條件下的算法和水質(zhì)量指標的性能。

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案例三：藻類(lèi)光合測量技術(shù)用于藍藻抑制機理研究

有害藍藻及其毒素對湖泊、水庫和河流的水質(zhì)構成潛在危害，因此去除藍藻是水處理過(guò)程中的重要環(huán)節，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藻的光合作用。

以色列海洋與湖泊研究所聯(lián)合國內水生生物研究所使用兩種藍藻和兩種綠藻進(jìn)行實(shí)驗，使用便攜式熒光儀AquaPen-C，通過(guò)熒光測量和顯微觀(guān)察來(lái)評估ATMA溴化物對藍藻細胞的影響，研究了不同鏈長(cháng)的ATMA化合物對藍藻和綠藻的毒性效應。研究結果表明，綠藻對ATMA化合物的敏感性低于藍藻，ATMA化合物對藍藻的光合作用和生長(cháng)有顯著(zhù)抑制作用，且毒性隨著(zhù)烷基鏈長(cháng)度的增加而增加，并基于實(shí)時(shí)熒光信號和電子顯微鏡揭示的細胞超結構變化，提出了ATMA陽(yáng)離子的毒性機制，因此，ATMA表面活性劑可能成為控制藍藻水華的有效工具。

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參考文獻：

[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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