基于藻类光合抑制效应的水体综合毒性表征参数构建与软件实现

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hanfenng
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随着人类活动加剧与工农业水平快速发展,水环境污染问题愈发突出,给人类生活用水及水生生态系统安全带来严重威胁。传统水质毒性检测操作复杂、时效性差,无法满足快速检测要求;基于藻类光合抑制法的光合荧光参数对水体综合毒性响应快速灵敏,但因采用复杂生物理论,不能全面准确反映不同类型毒性物质所引起的藻类光合抑制效应,从而导致水体毒性检测污染物种类有限以及测量结果稳定性不足。因此,构建快速准确反映水体综合毒性的表征参数是目前亟待解决的问题。本文以藻类光合抑制效应为基础,针对常用光合荧光参数Fv/Fm和PIABs仅能反映暗适应下光系统Ⅱ(Photosystem Ⅱ,PSⅡ)的光化学信息,对于水体毒性检测灵敏度低、稳定性差以及可检测毒性物质种类有限等问题,基于藻类叶绿素荧光诱导曲线(OJIP)特征点信息提取和整体曲线差异性分析,分别构建了水体综合毒性表征参数PICTE和PIFCD,并对比分析了光合荧光参数Fv/Fm和PIABS的水体综合毒性分析性能,验证了所构建参数PICTE和PIFCD的有效性与优势,为基于藻类光合抑制效应水体综合毒性快速在线分析提供了关键参数。论文完成的主要研究工作如下:(1)测量并分析了五种不同种类毒性物质(DCMU、DBMIB、MV、Malathion和Carbofuran)胁迫下藻类OJIP曲线响应特征。结果表明:OJIP曲线的特征点对毒性物质响应敏感,整体OJIP曲线之间存在明显差异,且差异程度与毒性物质强度呈正相关关系。以此为基础,提出了从OJIP曲线特征点信息提取以及整体曲线差异性分析两个角度分别构建水体综合毒性表征参数。(2)构建了基于OJIP曲线特征点信息的水体综合毒性表征参数PICTE。基于OJIP曲线J、I特征点荧光与曲线包围信息特征提取,结合特征点时间信息进行数据修正,构建了水体综合毒性表征参数PICTE。结果表明:PICTE对五种毒性物质均具有灵敏响应,稳定性均小于5%;最低检测限比PIABS降低了 79.7%、72.82%、61.24%、56.1%和46.12%,且对高浓度毒性物质检测能力更优,对比Fv/Fm可检测更多毒性物质种类;该研究为快速准确检测水体综合毒性提供了重要参数。(3)构建了基于OJIP曲线整体差异性的水体综合毒性表征参数PIFCD。为充分利用OJIP曲线信息,分别提取了欧式距离、改进的分段弗雷歇距离以及余弦相似度特征,分析了对照组与实验组OJIP曲线的差异性,结合K最近邻法(K-Nearest Neighbor,KNN)分类算法评价了不同差异性特征对毒性强度的分类准确率,并筛选出分类效果最佳组合特征。在此基础上,基于特征贡献率算法自适应调整特征权重,构建了水体综合毒性表征参数PIFCD。结果表明:与Fv/Fm、PIABs相比,PIFCD对五种毒性物质均响应灵敏,最低检测限比PIABs降低了 90.34%、41.66%、81.91%、95.43%和77.66%;相比PICTE检测限更低,稳定性相对标准偏差在10%左右;该研究为水体综合毒性快速检测提供了敏感表征参数。(4)设计并实现了基于藻类光合抑制法的水体综合毒性检测系统软件,通过需求分析与软件功能设计,实现了水体综合毒性测量中串口通信、水体综合毒性评估与数据存储及查询等核心功能,为水体综合毒性的快速准确测量提供了操作软件。论文研究结果表明,所构建的水体综合毒性表征参数为基于藻类光合抑制法的水体综合毒性快速检测应用提供了有效方法。
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