基于强-弱双光束激发的微藻活性定量检测研究
这是一篇关于压载水,微藻活性,微流控,叶绿素荧光的论文, 主要内容为随着世界航运经济的蓬勃发展,由于船舶压载水带来的外来生物入侵问题,已经给全球各大航运国近岸海域的生态安全和经济发展带来严重威胁。为了有效控制船舶压载水排放引发的海洋生物入侵灾害,《控制和管理船舶压载水和沉积物国际公约》要求,排放的压载水中尺寸为10～50μm的存活生物的数量少于10个/m L,而微藻正是此尺寸范围内的主要微生物,因此单个微藻细胞活性的定量检测成为压载水研究的主要课题。鉴于此,本文提出一种基于强-弱双光束激发的定量检测微藻活性的新方法。该方法以微流控芯片作为微藻检测平台,利用叶绿素荧光技术并结合强-弱双光束激发得到相对荧光产率的新原理实现对单个微藻细胞活性的定量检测。本文完成了基于强-弱双光束激发的微藻活性定量检测系统的设计与搭建,该系统包括硬件与软件两个部分。硬件部分主要包括:作为微藻检测平台的微流控芯片模块、用于荧光激发与接收的信号检测模块、对接收到的微弱荧光信号进行滤波放大的信号处理模块、信号采集与显示模块以及将各部分固定在一起保证检测系统稳定性的机械结构模块等。软件部分包括微藻荧光信号峰值判断功能的设计与实现、相对荧光产率计算功能的设计与实现、显示计算结果界面的设计与实现、SPI通信程序的设计。最后选择了四种不同种类、形态、大小和结构的微藻细胞作为样品,通过化学处理和热处理的方法做了对比实验,对本文提出的新方法进行了原理验证。此外,使用压载水样品做了大量的实验,通过实验数据提出了一种评估单个微藻细胞活性的通用标准。本文提出的方法不仅克服了传统方法在单光束激发下通过固定标准无法准确评估单个微藻细胞活性的困难;并且使用相对荧光产率来定量评估微藻活性,不需要测量暗适应之后的本底荧光产量,也不需要测量最大荧光产量,弱光激发光源强度不需要非常弱,强光激发光源强度也不需要达到饱和脉冲。因此,该方法大大减小了开发的成本与技术难度。同时设计的检测系统还具备体积小、操作简单、成本低等优点。
酸雨、UV-B和光强胁迫对5种常绿阔叶树幼苗叶绿素荧光和生长特性的比较研究
这是一篇关于酸雨,UV-B,光强,环境胁迫,常绿阔叶树,叶绿素荧光的论文, 主要内容为随着全球变化,亚热带地区经济的迅速发展,酸雨污染加剧,大气臭氧层的日趋变薄,紫外线辐射的逐渐增加,矿物燃料的大量燃烧,气溶胶和云层亮度的增强,阳伞效应越来越严重,极大的改变了植物生活的环境。因此,研究酸雨、UV-B和光强对亚热带常绿阔叶林中不同树种幼苗的影响,对于深入了解全球变化(酸雨增强、UV-B辐射增强和光强的减弱)对亚热带常绿阔叶林的林木更新、群落动态与演替和恢复的影响具有重要的意义。 本研究以亚热带常绿阔叶林主要树种:苦槠(Castanopsis sclerophylla)、木荷(Schima superba)、香樟(Cinnamomum camphora)、石栎(Lithocarpus glaber)和杜英(Elaeocarpus decipiens)五种树种为实验材料,利用生态模拟的研究方法,采用自控的设施,设定重度酸雨(pH2.5)、中度酸雨(pH4.0)和对照(pH5.6)三种酸雨处理;UV-B增强组(比对照组增加10%UV-B)、UV-B滤光组(约为对照组UV-B的20%)和对照组(日光条件)三种UV-B处理;以及100%、75%和50%三种光强处理,测定了相对叶绿素含量、叶绿素荧光参数和生长量(株高和地径)等参数,研究了环境胁迫对5种树种幼苗的生长及叶绿素荧光等参数影响。 实验结果表明:(1)杜英在重酸条件下生长良好,木荷、香樟和苦槠,在中度酸雨条件下生长良好,石栎在无酸或微酸条件生长良好。酸雨处理条件下,杜英幼苗的叶绿素含量和叶绿素荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII)随着酸雨浓度的增加而增加,qN随着酸雨浓度的增加而降低;木荷、香樟、苦槠和石栎随着酸雨浓度的增加叶绿素含量和荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII)都有所降低。 (2)增强UV-B辐射促进木荷和杜英生长,而抑制了香樟、苦槠和石栎幼苗的生长;减弱UV-B辐射促进香樟、苦槠和石栎幼苗的生长。增强UV-B辐射降低了石栎和杜英幼苗的叶绿素含量和部分素荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII),而对木荷、香樟和苦槠幼苗的叶绿素含量影响不大,但对部分叶绿素荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII)有一定的抑制作用。 (3)50%全光照条件下,木荷、石栎和苦槠幼苗的生长受到抑制,而促进了杜英和香樟幼苗的生长。5种亚热带常绿阔叶树种幼苗的叶绿素含量、Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII在50%全光照光条件下均显著高于全光照条件,是树种幼苗适应低光环境的表现。 (4)通过春夏秋三个月份的测定,酸雨、UV-B和光照处理条件对5种亚热带常绿阔叶树种幼苗叶绿素含量都有很好的季节变化,即:5月﹤8月﹤11月。 (5)杜英适合在重度酸雨、50%全光照光环境和增强UV-B的条件下生长;木荷较适合在中度酸雨、全光照光环境和增强UV-B的条件下生长;苦槠较适合在中度酸雨、全光照光环境和减弱UV-B环境下生长;香樟适合在中度酸雨、50%全光照光环境和减弱UV-B环境下生长;石栎在弱酸或微酸、全光照光环境和适度UV-B条件下能更好的生长。 (6)叶绿素荧光参数Fv/Fm和ΦPSII作为探索植物光合作用与环境关系的探针,对于不同的植物和月份具有不一样的反应。8月和11月,各处理之间有显著差异,可以作为探索环境胁迫(酸雨、UV-B和光强)的探针。Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII具有一致的变化趋势,qN具有相反的变化趋势。
基于强-弱双光束激发的微藻活性定量检测研究
这是一篇关于压载水,微藻活性,微流控,叶绿素荧光的论文, 主要内容为随着世界航运经济的蓬勃发展,由于船舶压载水带来的外来生物入侵问题,已经给全球各大航运国近岸海域的生态安全和经济发展带来严重威胁。为了有效控制船舶压载水排放引发的海洋生物入侵灾害,《控制和管理船舶压载水和沉积物国际公约》要求,排放的压载水中尺寸为10～50μm的存活生物的数量少于10个/m L,而微藻正是此尺寸范围内的主要微生物,因此单个微藻细胞活性的定量检测成为压载水研究的主要课题。鉴于此,本文提出一种基于强-弱双光束激发的定量检测微藻活性的新方法。该方法以微流控芯片作为微藻检测平台,利用叶绿素荧光技术并结合强-弱双光束激发得到相对荧光产率的新原理实现对单个微藻细胞活性的定量检测。本文完成了基于强-弱双光束激发的微藻活性定量检测系统的设计与搭建,该系统包括硬件与软件两个部分。硬件部分主要包括:作为微藻检测平台的微流控芯片模块、用于荧光激发与接收的信号检测模块、对接收到的微弱荧光信号进行滤波放大的信号处理模块、信号采集与显示模块以及将各部分固定在一起保证检测系统稳定性的机械结构模块等。软件部分包括微藻荧光信号峰值判断功能的设计与实现、相对荧光产率计算功能的设计与实现、显示计算结果界面的设计与实现、SPI通信程序的设计。最后选择了四种不同种类、形态、大小和结构的微藻细胞作为样品,通过化学处理和热处理的方法做了对比实验,对本文提出的新方法进行了原理验证。此外,使用压载水样品做了大量的实验,通过实验数据提出了一种评估单个微藻细胞活性的通用标准。本文提出的方法不仅克服了传统方法在单光束激发下通过固定标准无法准确评估单个微藻细胞活性的困难;并且使用相对荧光产率来定量评估微藻活性,不需要测量暗适应之后的本底荧光产量,也不需要测量最大荧光产量,弱光激发光源强度不需要非常弱,强光激发光源强度也不需要达到饱和脉冲。因此,该方法大大减小了开发的成本与技术难度。同时设计的检测系统还具备体积小、操作简单、成本低等优点。
酸雨、UV-B和光强胁迫对5种常绿阔叶树幼苗叶绿素荧光和生长特性的比较研究
这是一篇关于酸雨,UV-B,光强,环境胁迫,常绿阔叶树,叶绿素荧光的论文, 主要内容为随着全球变化,亚热带地区经济的迅速发展,酸雨污染加剧,大气臭氧层的日趋变薄,紫外线辐射的逐渐增加,矿物燃料的大量燃烧,气溶胶和云层亮度的增强,阳伞效应越来越严重,极大的改变了植物生活的环境。因此,研究酸雨、UV-B和光强对亚热带常绿阔叶林中不同树种幼苗的影响,对于深入了解全球变化(酸雨增强、UV-B辐射增强和光强的减弱)对亚热带常绿阔叶林的林木更新、群落动态与演替和恢复的影响具有重要的意义。 本研究以亚热带常绿阔叶林主要树种:苦槠(Castanopsis sclerophylla)、木荷(Schima superba)、香樟(Cinnamomum camphora)、石栎(Lithocarpus glaber)和杜英(Elaeocarpus decipiens)五种树种为实验材料,利用生态模拟的研究方法,采用自控的设施,设定重度酸雨(pH2.5)、中度酸雨(pH4.0)和对照(pH5.6)三种酸雨处理;UV-B增强组(比对照组增加10%UV-B)、UV-B滤光组(约为对照组UV-B的20%)和对照组(日光条件)三种UV-B处理;以及100%、75%和50%三种光强处理,测定了相对叶绿素含量、叶绿素荧光参数和生长量(株高和地径)等参数,研究了环境胁迫对5种树种幼苗的生长及叶绿素荧光等参数影响。 实验结果表明:(1)杜英在重酸条件下生长良好,木荷、香樟和苦槠,在中度酸雨条件下生长良好,石栎在无酸或微酸条件生长良好。酸雨处理条件下,杜英幼苗的叶绿素含量和叶绿素荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII)随着酸雨浓度的增加而增加,qN随着酸雨浓度的增加而降低;木荷、香樟、苦槠和石栎随着酸雨浓度的增加叶绿素含量和荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII)都有所降低。 (2)增强UV-B辐射促进木荷和杜英生长,而抑制了香樟、苦槠和石栎幼苗的生长;减弱UV-B辐射促进香樟、苦槠和石栎幼苗的生长。增强UV-B辐射降低了石栎和杜英幼苗的叶绿素含量和部分素荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII),而对木荷、香樟和苦槠幼苗的叶绿素含量影响不大,但对部分叶绿素荧光参数(Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII)有一定的抑制作用。 (3)50%全光照条件下,木荷、石栎和苦槠幼苗的生长受到抑制,而促进了杜英和香樟幼苗的生长。5种亚热带常绿阔叶树种幼苗的叶绿素含量、Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII在50%全光照光条件下均显著高于全光照条件,是树种幼苗适应低光环境的表现。 (4)通过春夏秋三个月份的测定,酸雨、UV-B和光照处理条件对5种亚热带常绿阔叶树种幼苗叶绿素含量都有很好的季节变化,即:5月﹤8月﹤11月。 (5)杜英适合在重度酸雨、50%全光照光环境和增强UV-B的条件下生长;木荷较适合在中度酸雨、全光照光环境和增强UV-B的条件下生长;苦槠较适合在中度酸雨、全光照光环境和减弱UV-B环境下生长;香樟适合在中度酸雨、50%全光照光环境和减弱UV-B环境下生长;石栎在弱酸或微酸、全光照光环境和适度UV-B条件下能更好的生长。 (6)叶绿素荧光参数Fv/Fm和ΦPSII作为探索植物光合作用与环境关系的探针,对于不同的植物和月份具有不一样的反应。8月和11月,各处理之间有显著差异,可以作为探索环境胁迫(酸雨、UV-B和光强)的探针。Fv/Fm、Fv/Fo和ΦPSII具有一致的变化趋势,qN具有相反的变化趋势。
基于微型CMOS相机的叶绿素荧光成像仪的研究与开发
这是一篇关于叶绿素荧光,叶绿素荧光成像仪,光合作用,微型相机的论文, 主要内容为叶绿素荧光与光化学反应过程紧密耦合,叶绿素荧光成像作为一种高效的植物光合作用和生理状态信息获取手段,常被应用于植物生理学研究、智慧农业信息感知等众多领域。叶绿素荧光成像仪因价格昂贵、结构复杂等问题给应用带来了困难。针对上述问题,本文研究开发了一套基于微型CMOS相机和智能手机的低成本叶绿素荧光成像仪,并对其进行实验验证与应用。主要研究成果如下:(1)叶绿素荧光成像仪的光路研究。激发光灯组采用LED面光源和碗状结构,使用PWM的控制方案,通过对光场的仿真分析研究了光场的分布特性,校准后理论上光照强度可达6250?mol/m2/s,光场均匀度偏差约为2%;最后通过对CMOS相机荧光成像强度的计算分析,论证了该激发光及感光成像的可行性。(2)叶绿素荧光成像仪的系统设计与开发。从荧光仪的机械结构、硬件电路及系统软件完成该荧光仪整体设计与开发。通过箱体搭配升降台的设计,实现最大容积30cm×30cm×25cm;利用智能手机作为上位机完成激发光控制,并将数据回传至手机或服务器进行分析、处理、存储及显示。荧光仪可实现500万像素、光谱范围400-1000nm、90fps的图像采集,具备连续光激发和调制脉冲激发功能。(3)叶绿素荧光成像仪的基础实验测试。叶绿素荧光成像仪实测激发光强度达5956?mol/m2/s,均匀度偏差约为2.3%,实测数据与理论分析和仿真一致。本仪器能够获取连续光激发下的叶绿素荧光图像采集及调制脉冲光协议下的叶绿素荧光采集,所获取的叶绿素荧光图像能够反映叶片的二维异质性,能够有效区分不同叶片的光合特征,典型的叶绿素荧光参数图像Fv/Fm,Rfd等符合预期。(4)基于叶绿素荧光成像仪的叶角及叶龄对于叶绿素荧光成像影响研究。针对大尺度日光诱导叶绿素荧光脱离微观叶绿素成像机理的问题,以绿萝、樟树和大叶黄杨这三种分别代表藤本、乔木和灌木的植物共计60片叶子为样本,探究叶绿素荧光成像与成像角度及叶片叶龄之间存在的联系。实验结果表明成像角度对叶绿素荧光成像存在显著影响,成像角度的增大会导致荧光参数值的减小,对不同种类植物的影响也不同。叶龄也会影响叶绿素荧光成像,成长期叶片的成像参数指标高于成熟期叶片,该成果对于叶绿素荧光遥感成像的机理研究有着重要的意义。本文的研究成果可应用于叶绿素荧光图像的快速定性分析,有利于叶绿素荧光成像仪的低成本实现;对叶绿素荧光成像和植物遥感技术的研究与应用有良好的价值,为准确发挥叶绿素荧光在智慧农业评估与决策中的作用奠定了基础。
基于荧光诱导的植物光合监测系统研究
这是一篇关于光合作用,无损监测技术,叶绿素荧光,光合速率反演,监测系统的论文, 主要内容为光合作用是植物生命活动的重要基础,研究其可以揭示光合作用机制、提高植物生产效率、应对全球气候变化和促进环境保护。获取植物的光合信息是光合作用研究的重要步骤,半叶法耗时长且无法连续测量,放O2法和同位素测量法常需要叶片离体处理且精度不高,红外CO2气体分析法虽然精度较高但测量时会导致叶片部分损伤。植物的叶绿素荧光参数是衡量植物光合作用的重要指标之一,利用叶绿素荧光技术可以快速、无损、高精度地进行光合作用研究,能很好的解决上述问题。本研究以叶绿素荧光诱导方法为核心,采用饱和脉冲技术和调制技术,使用放大电路和模数转换电路放大微弱荧光信号,实现了光合信息的高精度监测。设计了一种便携式、人机交互界面友好、数据可远程传输的植物光合监测系统。同时研究了以叶绿素荧光信号来反演光合速率的方法。进行了以草莓和烟草为试验对象的仪器对比试验和不同叶片比较试验,对测量的数据进行分析,验证监测系统的准确性。主要研究结果如下:(1)研发了叶绿素荧光诱导的植物光合监测硬件系统。本文以Arduino控制板作为主控制单元、树莓派作为交互载体,设计激发光源模块、荧光采集模块和电源模块等,实现了对叶绿素荧光信号的高精度采集,从而计算出植物光合作用效率等信息。为了便于携带和保护硬件,设计了基于3D打印的实物结构。(2)设计了叶绿素荧光诱导的植物光合监测软件系统。依据总体的框架设计分为测量端、人机交互端和服务器监测后台三个部分。测量端使用C++语言编写,并通过串口与人机交互端通信。人机交互端使用Python语言、Py Qt框架,在树莓派上实现了交互界面的开发,简化了操作步骤并提供了数据查看页面;通过网络同步测量数据到监测后台,保证了数据的实时共享。服务器后台基于Java、Vue、Mysql等技术,实现数据的远程监测并提供了Web访问能力。(3)构建了光合速率反演模型。选择玉米、小麦、烟草和草莓四种作物作为研究对象,基于自研监测终端采集的叶绿素荧光数据和光合作用仪采集的光合速率数据,以支持向量机回归(SVR)、偏最小二乘法回归(PLSR)、(KNNR)、自适应增强回归(Ada Boost)、梯度提升树回归(GBRT)共5种方法建模,均取得了可靠的结果,其中GBRT的效果最好。在光合速率反演上,玉米的决定系数达到0.74、小麦的决定系数达到0.76、烟草的决定系数达到0.71、草莓的决定系数达到0.77。(4)开展了系统测试比较实验。通过仪器对比试验,本文自研监测仪器与市售仪器在草莓光合效率测量上决定系数达到0.83,在烟草光合效率测量上决定系数达到0.82,两者呈现显著的相关性;不同叶片比较试验试验结果表明自研监测仪器与实际情况相符。这些试验证明了自研的监测仪器具有较高的准确性。本监测系统的整体功能测试正常,能够满足实时监测的要求,且在数据传输、存储、扩展和价格上优势明显。本研究的基于荧光诱导的植物光合监测系统通过了相关的试验和测试,能够对植物的光合进行无损的实时监测,测量的结果稳定可靠且成本低,为农业生产、环境保护和生态研究等的发展提供了有力的支持。
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