浮游動(dòng)物研究新技術(shù)和方法

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1、浮游動(dòng)物研究新技術(shù)和方法摘要浮游動(dòng)物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的類(lèi)群，是海洋生物生產(chǎn)過(guò)程的核心之一，是海洋食物網(wǎng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵組成部分，對(duì)其種類(lèi)的定性識(shí)別、鑒定和生物量分析是海洋科學(xué)研究中最為關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題之一。從早期的Uterm?hl法、數(shù)字圖像處理技術(shù)，到現(xiàn)在的化學(xué)計(jì)量學(xué)研究、圖像觀測(cè)技術(shù)等創(chuàng)新方法，都極大地促進(jìn)了海洋浮游動(dòng)物的研究。本文重點(diǎn)講述幾種傳統(tǒng)技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的定義、應(yīng)用以及對(duì)比分析，以更好地分析浮游動(dòng)物研究方法房展需求和方向。關(guān)鍵詞：浮游動(dòng)物；研究方法；對(duì)比分析一、概況浮游動(dòng)物是一類(lèi)經(jīng)常在水中浮游，本身不能制造有機(jī)物的異養(yǎng)型無(wú)脊椎動(dòng)物和脊索動(dòng)物幼

2、體的總稱(chēng)，在水中營(yíng)浮游性生活的動(dòng)物類(lèi)群。它是經(jīng)濟(jì)水產(chǎn)動(dòng)物，是中上層水域中魚(yú)類(lèi)和其他經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的重要餌料，對(duì)漁業(yè)的發(fā)展具有重要意義。國(guó)際上許多重大研究計(jì)劃，如全球海洋生物普查計(jì)劃（CensusofMarineLife，CoML）、海洋生物地球化學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)整合研究（IntegratedMarineBiogeochemistryandEcosystemResearch，IMBER）和全球海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究（GlobalOceanEcosystemDynamics，GLOBEC）等，均將浮游動(dòng)物作為重要觀測(cè)內(nèi)容[1]。浮游動(dòng)物觀測(cè)的最終目的是對(duì)目標(biāo)生物的分布、

3、豐度、大小或生物量進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。二、傳統(tǒng)的研究技術(shù)方法（一）Uterm?hl方法浮游生物定量生物學(xué)的研究最早是從德國(guó)Kiel大學(xué)的生物學(xué)家VictorHensen開(kāi)始的，他于1883年利用魚(yú)卵網(wǎng)(Hensen′sEiernetz)對(duì)浮游生物進(jìn)行了調(diào)查研究，這是一款從JohannesMǜller的蝴蝶型網(wǎng)改進(jìn)而來(lái)的網(wǎng)具。Hensen在其論文[2]中首次定義了“浮游生物”一詞，并提出使用網(wǎng)采手段加上嚴(yán)格的數(shù)學(xué)計(jì)算作為浮游生物定量生物學(xué)研究的方法。Uterm?hl于1931年發(fā)明了一種計(jì)數(shù)框計(jì)數(shù)方法[3]，它結(jié)合了Volk的靜置沉淀法和Kolkwitz計(jì)數(shù)框，最

4、低程度地降低了樣品的損失。直到Uterm?hl在1958年對(duì)計(jì)數(shù)框觀測(cè)面積進(jìn)行了的標(biāo)準(zhǔn)化，Uterm?hl方法才被確認(rèn)和推廣開(kāi)來(lái)。Uterm?hl方法的一般分析過(guò)程為:對(duì)采來(lái)的水樣搖勻后注入U(xiǎn)term?hl計(jì)數(shù)框中→在沉降柱上蓋好沉降柱蓋玻片→靜置沉降24h以上→將上清液移除入廢液框中→蓋好底座蓋玻片→于倒置顯微鏡或光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行鑒定和計(jì)數(shù)。Uterm?hl方法應(yīng)用的主要工具是計(jì)數(shù)框，Uterm?hl計(jì)數(shù)框有100,50,25,10,5mL5種類(lèi)型，其中最重要的部件是載玻片和沉降柱。沉降柱和透明塑料板之間要求沒(méi)有縫隙，同時(shí)又要確保整個(gè)計(jì)數(shù)框的體積十分精確

5、。載玻片要越薄越好，所以一般用直徑26mm或更大的薄玻片進(jìn)行加工。另一種常用的方法就是就是使用變型的Uterm?hl計(jì)數(shù)框進(jìn)行計(jì)數(shù)，此方法的有點(diǎn)是把去除上清液的步驟省去了，使準(zhǔn)備樣品工作更加簡(jiǎn)單，但受到倒置顯微鏡載物臺(tái)高度的限制，最多只能檢測(cè)25mL的樣品[4]。（二）數(shù)字圖像處理技術(shù)數(shù)字圖像處理技術(shù)是以平移、旋轉(zhuǎn)和尺度變換不變特性的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)特征和Gabor紋理特征共同組成特征集，采用支持向量機(jī)(SVM)和主成分分析特征降維相結(jié)合的浮游生物圖像在線(xiàn)分析方法。1.圖像處理與特征提取首先對(duì)采集的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用7×7鄰域的中值濾波器方法去除大部分的圖

6、像噪聲[5]，然后采用`UnSharp'算子增強(qiáng)目標(biāo)與背景之間的對(duì)比度，同時(shí)去除由于浮游動(dòng)物運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的拖影，以增強(qiáng)圖像的結(jié)構(gòu)特征。圖像經(jīng)預(yù)處理之后，采用Canny算子檢測(cè)輪廓邊緣。Canny算子有兩個(gè)重要參數(shù)`thresh-old'和`sigma'[6]，當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)指定到恰當(dāng)?shù)臄?shù)值，即可得到連續(xù)的目標(biāo)輪廓邊緣。目標(biāo)及其邊界確定之后，即可從輪廓特征和目標(biāo)區(qū)域中計(jì)算出特征描繪子。2.支持向量機(jī)(SVM)支持向量機(jī)的基本思想是在特征空間或樣本空間，構(gòu)造出最優(yōu)超平面，達(dá)到與不同類(lèi)樣本集之間的最大距離，從而達(dá)到最大的泛化能力[7]。支持向量機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且具

7、有全局最優(yōu)性和較好的泛化能力，能有效解決函數(shù)估計(jì)和模式識(shí)別問(wèn)題。在許多應(yīng)用領(lǐng)域中都表現(xiàn)出它優(yōu)于已有方法的性能[8]。SVM方法在小樣本情況下能夠最大限度地提高預(yù)報(bào)可靠性，即從有限的訓(xùn)練集樣本中得到的小的誤差，對(duì)獨(dú)立的測(cè)試集保持小的誤差仍能夠保證，另外在解決高維模式識(shí)別及非線(xiàn)性問(wèn)題中也表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)。三、創(chuàng)新研究技術(shù)及方法（一）化學(xué)計(jì)量學(xué)研究生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)可以簡(jiǎn)單定義為:從分子到生物圈的元素生物學(xué)。它是根據(jù)三大守恒定律(質(zhì)量守恒、能量守恒和電荷守恒定律)、分子生物學(xué)中心理論和自然選擇法則[9]，結(jié)合生物學(xué)、物理學(xué)、生態(tài)學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)的基本原理，研究生物

8、系統(tǒng)能量的平衡和多種化學(xué)元素(通常是C、N、P、O、S)平衡的科學(xué)