1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
2 安徽大学物质科学与信息技术研究院信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230039
3 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
浮游藻类作为单细胞生物，其光合活性外界胁迫作用响应灵敏，是水质综合毒性检测的良好受试生物，因此认识受试藻种光合活性状态对温度和光照等主要环境因子的响应规律，掌握有效控制受试藻种光合活性状态和浓度的培养条件，对水质综合毒性检测至关重要。以模式受试生物蛋白核小球藻为研究对象，研究了不同温度梯度和光照强度下蛋白核小球藻光合活性变化规律。研究结果显示：蛋白核小球藻在不同梯度光照下，藻种光合活性和藻种浓度的变化非常明显。低光照下 (75 μE、125 μE) 藻种平均光合活性在0.60左右但藻种浓度基本不增加；中光照下 (175、225、300、375 μE) 藻种平均光合活性在0.57左右且此时藻种浓度有明显增加，其中，实验最佳光照为375 μE；高光照下 (475 μE和600 μE) 藻种平均光合活性低于0.56 (初始活性)，会对藻种的生长状态产生胁迫。不同梯度温度下藻种光合活性和藻种浓度也有明显变化，中低温下 (5、15、25 ℃) 藻种平均光合活性在0.59左右且藻种浓度随着温度的升高而增加，最佳温度为25℃；高温下 (30、35、40 ℃) 藻种光合活性迅速下降直至失活。研究结果表明可以通过控制光照和温度来控制浮游藻类的光合活性和生长速度，为在线水质综合毒性测量仪提供标准的受试藻样培养方式，从而给便携式水质综合毒性测量仪的研发奠定基础。
浮游藻类 光合活性 叶绿素荧光 环境因子 planktonic algae photosynthetic activity chlorophyll fluorescence environmental factors 大气与环境光学学报
2023, 18(2): 133
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031
4 合肥师范学院物理与材料工程学院，安徽 合肥 230061
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
以混合藻类为研究对象，研究组成混合样品藻种的单细胞可变荧光量（SCVF）差异对可变荧光统计分析法准确性的影响。研究结果表明：当两种藻种的SCVF比值不大于5.3时，该分析方法依旧适用，测量结果与显微镜检测结果的相对误差绝对值的均值不大于17%；当两种藻种的SCVF比值大于8时，测量结果与显微镜检测结果存在较大差异，且高SCVF藻细胞占比达到一定比例时，可变荧光统计分析法的测量结果仅反映了混合样品中高SCVF藻细胞数。针对SCVF差异大的混合藻类，将过滤分离方法与可变荧光统计分析法相结合，利用合适孔径的金属滤网过滤混合样品，将过滤前后测量的样品活体藻细胞密度之和作为测量结果。实验结果表明，该方法可将相对误差绝对值均值由58.4%降至5.5%，有效解决了组成混合样品藻种的SCVF差异对细胞数定量的影响，实现混合藻类活体细胞数的准确定量。
海洋光学 压载水 活体藻细胞数 可变荧光 混合藻类 光学学报
2022, 42(24): 2401003
1 中国科学院合肥物质研究院安徽光学精密机械研究所，中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，安徽 合肥 230031
以藻类多相瞬态叶绿素荧光动力学曲线OJIP为基础，提取曲线间距离、形状和角度特征之间的差异，进行曲线差异性度量。同时，采用K最近邻（KNN）分类算法评价并选择分类效果较好的特征组合，利用不同特征对毒性强度表征作用的贡献率分配权重进行特征融合，构建水体综合毒性表征参数PIFCD。在此基础上，以普通小球藻为受试对象，在DCMU、DBMIB、MV、马拉硫磷、克百威毒性物质胁迫下，对比现有的Fv/Fm、PIABS两种表征参数，从毒性响应、最低检测限和最高响应浓度三个方面，验证所构建PIFCD参数的有效性与优越性。结果表明：PIFCD对5种毒性物质均响应灵敏，与Fv/Fm相比可检测更多种类的污染物；PIFCD对5种毒性物质的最低检测限分别比PIABS降低了90.34%、41.66%、81.91%、95.43%和77.66%，同时对高浓度毒性物质的检测能力更强。
海洋光学 荧光 水体综合毒性 OJIP曲线 曲线差异性 毒性表征参数 光学学报
2022, 42(18): 1801004
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，中国科学院环境光学与技术重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室，合肥 230031
4 安徽大学，合肥 230039
藻类光合荧光参数易于测量，对外来胁迫响应灵敏，是水质生物毒性测量的重要指标。以蛋白核小球藻为受试生物，研究了DCMU胁迫下（1 h和3 h），作为毒性测试终点的光合荧光参数与初始生物量的关系。结果表明：光合荧光参数可分为两类，第一类为Fv/Fm、Yield、α、rP、σPSⅡ和τes，只表征光合系统信息；第二类参数为Ek、F0、Fm、Fv以及JVPⅡ，其数值受生物量影响，包含生物量信息；当初始生物量发生变化时，只表征光合系统信息的第一类参数在毒性测试过程中更稳定。参数Fv/Fm、Yield、α、rP、σPSⅡ、τes、F0、Fm以及Fv与DCMU能建立良好的剂量效应关系，根据EC50、EC20和相关系数R2，给出了光合荧光参数作为毒性测试终点时，藻类初始叶绿素浓度的最佳范围：对参数Fv/Fm、Yield、α、rP、σPSⅡ、τes，建议范围为10~2 000 μg·L-1；对于参数F0、Fm与Fv，建议范围为200~1 000 μg·L-1。该结果可为基于光合荧光参数的生物毒性快速检测方法的建立提供重要依据。
生物光学 初始生物量 光合荧光参数 DCMU 毒性检测 Bio-optics Initial biomass Photosynthetic fluorescence parameters Diuron Toxicity detection
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
藻类光合抑制法是极具潜力的水体综合毒性快速检测预警手段,并且稳定测量条件的确定对藻类光合抑制法毒性测试结果不可忽视。以蛋白核小球藻为受试藻种,根据农药敌草隆(DCMU)对藻类光合活性具有抑制作用这一特点,以α、Fv/Fm、Yield、rP 4种光合荧光参数的抑制率为分析对象,在不同质量浓度DCMU胁迫作用下,分别研究受试藻类质量浓度、藻液与样品混合体积比、反应温度这3种测试条件对水体综合毒性测量的稳定性影响。结果显示:当受试藻类在100~600 μg·L -1质量浓度范围内时,藻类质量浓度的变化对水体综合毒性测量没有显著影响;受试藻液与样品的混合体积比对毒性检测灵敏度有较大影响,受试藻液与样品的混合体积比为2∶8时更有利于提高水体毒性检测的灵敏性;反应温度对水体综合毒性检测也有重要影响,其中20~35 ℃的温度范围更有利于提高水体综合毒性的检测精度。
生物技术 水体综合毒性 蛋白核小球藻 光合抑制 稳定条件 光学学报
2022, 42(12): 1217001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
浮游植物初级生产作为海洋生态系统的重要起点, 是海洋食物网的基础, 是衡量海水质量的重要指标。 为了准确测量、 监测和预测浮游植物初级生产力的时空变化及其对外部环境条件的动力学响应, 研究了一种基于叶绿素荧光动力学的测量技术, 研制出响应时间为1.6 min、 精度为4.86%的快速测量仪器。 仪器测得的浮游植物初级生产力与液相氧电极法测得的光合放氧速率的相关系数为0.991。 该仪器装备在中国海监101号实验船上, 用于黄渤海浮游植物初级生产力在线测量和垂直剖面测量。 测量结果表明, 渤海湾内的浮游植物初级生产力是湾外的1.1~1.4倍, 垂直剖面测量结果显示黄海区域各点位的浮游植物初级生产力的均与深度相关。 与传统方法相比, 所研制的仪器具有快速、 稳定、 无需样品培养等优点, 可为海洋生态环境评价提供先进的技术方法。
浮游植物 荧光动力学 光合荧光参数 初级生产力 快速测量 Phytoplankton Fluorescence kinetics Photosynthetic fluorescence parameters Primary productivity Fast measurement
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
OJIP荧光动力学被广泛应用于藻类光合作用研究,而在常用的OJIP曲线分析中,常将J、I点的特征时间固定,忽略了藻类种类对J、I点特征时间的影响,这会造成J、I点荧光强度计算结果的偏差,直接影响测量结果的准确性。鉴于此,提出使用三级指数函数逼近OJIP曲线的方法动态获取J、I点的特征时间。不同藻种的J、I点的特征时间和二氯苯基二甲脲(DCMU)胁迫下J点特征时间实验的测试结果表明:所提方法能够有效获得不同藻类J、I点的特征时间,二形栅藻、蛋白核小球藻、普通小球藻和新月筒柱藻J点的特征时间分别为2.22,1.52,1.33,1.01 ms,I点的特征时间分别为28.80,27.15,29.90,15.28 ms,多次计算结果的相对标准偏差均小于10%,具有较好的一致性;在DCMU浓度(质量浓度)分别为10,20,40 μg/L的毒性胁迫实验条件下,所提方法计算的普通小球藻的J点特征时间分别为1.25,1.18,1.10 ms,相对标准偏差为12.03%。此外,利用所提方法计算得到的光合活性参数VJ与DCMU浓度之间具有良好的毒性剂量-效应关系,相关性系数R2为0.991。
物理光学 荧光动力学 特征时间确定 指数分析 藻类
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
可变荧光量与藻类活体细胞数有良好的相关性,然而在浮游藻类种类、尺寸及生长周期等条件不同的情况下,藻类单细胞的可变荧光量存在明显差异,直接利用可变荧光强度计算藻类活体细胞数将存在很大误差。因此,提出了一种基于可变荧光统计学分布的水体藻类活体细胞数分析方法。根据子样本细胞数的分布形状与可变荧光量一致的特点,利用可变荧光量的分布形状直接计算样品中藻类活体细胞数。研究结果表明,在浮游藻类单细胞的可变荧光量变化44倍的条件下,基于可变荧光统计学分析方法计算的活体藻细胞密度与显微镜的镜检结果基本一致,两者线性拟合的相关系数在0.93以上,相对误差绝对值的平均值在5.98%~16.94%之间,说明所提方法基本解决了藻类单细胞的可变荧光量对活体藻细胞计数结果的影响。
生物技术 藻类 活体细胞数 可变荧光 随机抽样 统计分布
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
4 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
荧光法作为一种非侵入性测量手段,能够实现水体藻类初级生产力的快速测量。然而在目前初级生产力荧光动力学分析中,藻类光合尺寸单元通常采用固定值,导致初级生产力测量结果发生偏差,特别是水体存在蓝藻时尤为明显。光合尺寸单元定义为光合反应中心浓度与叶绿素浓度的比值。为获得准确的水体藻类光合尺寸单元以提高初级生产力测量结果的准确性,利用激发荧光光谱分析水体蓝藻和其他真核藻占比,以此为基础对混合藻样品光合尺寸单元进行校正,并提出一种基于光合尺寸单元校正的荧光法藻类初级生产力测量方法。纯种样品和混合样品初级生产力比对测试实验结果表明:纯种蓝藻、绿藻、甲藻样品的初级生产力测量误差由校正前的38.8%、14.3%、13.2%下降至3.9%、4.1%、5.2%;混合样品初级生产力最大和平均测量误差由校正前的20.4%、15.2%下降至4.5%、5.2%。该结果证明,所提校正方法可有效解决光合尺寸单元使用固定值带来的初级生产力测量偏差问题,为提高水体藻类初级生产力测量结果的准确性提供了重要参考。
物理光学 荧光动力学 光合尺寸单元 初级生产力 光合电子传递速率 光合放氧 光学学报
2021, 41(17): 1726002
