基于浮游植物群落的湖泊生态健康便捷监测系统及方法

摘要

本发明涉及基于浮游植物群落的湖泊生态健康便捷监测方法，搜集整理浮游植物不同种类和群落组成与环境因子的对应关系相关数据，并存储在中心服务器中；采集待测水样并浓缩，取浓缩样品置于载玻片上；采用显微成像装置拍摄载玻片上的浓缩样品，并将拍摄的图片发送至中心服务器；中心服务器对接收的图片进行图像识别，对图像中的浮游植物种类进行判定和计数，获取优势种、群落结构组成信息，并与采集存储的数据进行比对，生成水质报告。本发明的方法可现场完成样品的浓缩和图片拍摄工作，不需要携带大量的水样回实验室处理。且相比于传统浮游植物鉴定方法，可以极大缩短浮游植物鉴定的时间，由原来的数天得出相关结果缩短至数十分钟。

说明书

技术领域

本发明涉及基于浮游植物群落的湖泊生态健康便捷监测系统及方法。

背景技术

水污染是影响水质安全的一个重要因素，是全社会广泛关注的热点问题之一，尤其是湖泊生态系统水质安全与人们日常生活息息相关。早年人们通过水体最直观的表现来判断水体是否健康，例如水体透明度、是否有异味等；后来由于污染事件的增加，人们通过针对性检测水体中某些化学元素的组成和浓度来分析水质状况，例如美国在20世纪初期针对全美各大水系出现的臭水沟和水体富营养化现象，对水体中重金属、COD、非金属无机物等进行检测；近年来，尤其是2000年12月22日欧盟颁布《欧洲会议于欧盟理事会关于建立欧共体水政策领域行动框架的2000/60/EC号指令》（简称：欧盟水框架指令）以来，将水体安全由原来的主要关注水质，转变为以生态系统健康作为评价水体安全的重要依据。如何对湖泊生态系统健康状况进行评价，一直是科学家和管理部门关心的话题。

中国科学院水生生物所研究员徐旭东指出：目前我国对于水环境污染治理的标准，还是原环保部2002年颁布的《地表水环境质量标准（GB 3838-2002）》，缺乏生物因子。健康的自然水体孕育着各类动植物和微生物，生物的生命活动驱动着水、底泥、大气之间的物质循环，进而形成自我净化能力。具备这种能力的水体才能真正形成较稳定的生态系统和良好的自然景观，即使在生物群落的季节演替中有个别水质指标短暂超过水质评级的数值范围，也能够自然恢复。

根据刘宇及沈建忠《藻类生物学评价在水质监测中的应用》，藻类存在于自然界的各种水体之中，是江河湖海中最基本的初级生产者，由于个体小、生活周期短、繁殖速度快，易受环境中各种因素的影响而在较短周期内发生改变。在水体中，藻类和所处环境相统一，因此藻类的变化(种类组成、种群动态、生理生化等)可反映出所处环境的改变，而且相对于理化条件而言，其现存量、种类组成和多样性能更好地反映出水体的营养水平。因而藻类作为生物学监测指标在水环境评价中得到了广泛的应用。

利用藻类作为水质生物监测指标已有近百年的历史，目前已有大量文献报道利用藻类来评价水体的营养状况。国外对藻类在水质监测中的应用较早，早在1909年，德国学者Kolkwitz和Marsson就提出了利用浮游植物评价污染水质的方法，并针对水体污染程度的不同进行了分类。20世纪50年代以来，许多学者应用简单的生物指数和物种多样性指数监测水质状况，取得了良好的效果；70年代后，我国开始对各种水体环境质量进行了广泛的藻类生物学调查与评价，随着我国湖泊富营养化研究工作的深入开展，国内逐步建立起了比较成熟的、适用于我国湖泊的评价体系和方法。

利用藻类监测水质的常用方法包括：现存量法、指示生物法、生物指数法和多样性指数法。现存量法是指根据水体中藻类的现存量来评价水体的营养状况，是分析水环境质量的基本方法之一。用于表示藻类现存量的指标很多（密度、生物量、叶绿素a）；指示生物法即是对水域藻类进行系统的调查、鉴定，根据指示藻类的有无来评价水质的优劣。常用的方法具体包括污水生物系统法和优势种群法。藻类生物指数是根据藻类的种类特征和数量组成情况，用简单的数字评价水域环境的有机污染。藻类生物指数的种类很多, 包括藻类综合指数、浮游植物营养指数、硅藻指数、藻类种类商、种类数比值、藻类污染指数、污生指数等。藻类的种类多样性指数能反应出不同环境下藻类个体分布丰度和水体污染程度，主要以藻类细胞密度和种群结构的变化为基本依据判定湖泊营养状况、富营养化程度和发展趋势。

利用藻类监测水质的通常做法及流程包括：

1、现场利用采水器采集定量的水样，加入鲁戈试剂或其他固定剂将样品固定；

2、带回实验室利用沉淀装置对水样进行沉淀48h左右；

3、去除上清液，保留一定体积的沉淀；

4、将样品转移至样品瓶，并放在暗处静置36h左右；

5、利用吸管等工具将上清液去除，最终将样品定容至一定体积，如30mL；

6、吸取0.1mL样品在藻类计数框中，利用显微镜放大200-400倍进行人工鉴定和计数；

7、计算浮游植物生物量和群落组成。

根据上述流程可以看出，常规对浮游植物的鉴定和计数耗时较长，同时需要具有丰富经验的专门技术人员进行样品的分析。虽然目前有流式细胞仪、Phyto-PAM等可以对水样中浮游植物的组成进行分析，但大都主要针对室内纯培养样品或者非常粗略的分类，难以满足对水质监测的需求。传统的浮游植物分析方法是最成熟、运用最广泛的方法，但是由于耗时长，同时需要专门的技术人员进行鉴定，而不同技术人员之间存在明显的系统误差，因此不同人员对统一水体的分析结果往往具有一些出入。现有的新技术虽然能实现快速检测，但是应用范围较小，无法满足快速检测水体生态系统健康的需求。随着图像识别技术的发展，目前有相应的发明针对藻类图片进行识别，但是仅限于对藻类的种类组成进行分析和统计，无法开展生态健康评价。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于浮游植物群落的湖泊生态健康便捷监测系统及方法，可实现现场快速通过浮游植物群组成分析水体生态健康。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于浮游植物群落的湖泊生态健康便捷监测方法，包括如下步骤：

（1）搜集整理浮游植物不同种类和群落组成与环境因子的对应关系相关数据，并存储在中心服务器中；

（2）采集待测水样并浓缩，取浓缩样品置于载玻片上；

（3）采用显微成像装置拍摄载玻片上的浓缩样品，并将拍摄的图片发送至中心服务器；

（4）中心服务器对接收的图片进行图像识别，对图像中的浮游植物种类进行判定和计数，获取优势种、群落结构组成信息，并与步骤（1）中采集存储的数据进行比对，生成水质报告。

本发明的方法，所述步骤（2）中，采用滤膜对水样进行浓缩，将过滤后的滤膜置于载玻片上。

进一步的，所述步骤（2）中，采用甲醛对样品进行固定，可消除游泳生物对图片拍摄的影响，

进一步的，所述步骤（3）中，对同一样品选取10~20个不同位置拍摄照片，并发送至中心服务器，可提高识别的效率及准确率。

进一步的，还包括，将拍摄图片包含的参数信息一并发送至中心服务器，所述参数信息包括显微镜放大倍率、样品体积。

进一步的，显微成像装置通过无线网络将数据传输至中心服务器。

本发明的另一目的在于提公基于浮游植物群落的湖泊生态健康便捷监测系统，包括：

载玻片，放置待测样品；

显微成像笔，采集待测样品图像，并发送至中心服务器；

中心服务器，对接收的图像进行分析，获取样品中浮游植物群落组成和生物量，生成水质报告，并发送至终端；

其中，所述显微成像笔为笔式显微成像装置，其组成包括镜头、CCD阵列、处理器、通信装置和显示装置。

进一步的，所述显微成像笔上还设有传感器接口，用于连接外接传感器。例如可外接增加温度、浊度、叶绿素等常规水质传感器，同步传输自服务器，实现水生态健康及影响因素的研究分析。

进一步的，所述显微成像笔上还设有LED灯，所述LED灯设置于镜头部位，用于提供照明。

进一步的，所述通信装置为无线通信。

本发明的方法和系统具有如下有益效果：

1、相比于传统浮游植物鉴定方法，本发明可以极大缩短浮游植物鉴定的时间，由原来的数天得出相关结果缩短至数十分钟。

2、现场完成样品的浓缩和图片拍摄工作，不需要携带大量的水样回实验室处理。此外，本发明重点针对水样中大量的优势种和建群种等进行鉴定和分析，降低了对图像识别精度的要求，拓展了本发明的适用水体范围。

3、本发明利用服务器端完成数据分析、计算和报告生成等过程，将显微成像笔设计得小巧，野外携带方便。

4、通过无线数据传输等技术，实现分析结果实时呈现。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2为本发明系统原理示意图；

图3是显微成像笔结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，本发明的监测方法包括如下步骤：

（1）搜集整理浮游植物不同种类和群落组成与环境因子的对应关系相关数据，并存储在中心服务器中；

（2）采集待测水样并浓缩，取浓缩样品置于载玻片上；

用户在野外，利用采水器等装置采集一定体积水样，例如50mL，通过使用过滤装置进行过滤浓缩，取0.1mL样品放置在配套的载玻片上。可事先可用甲醛对样品进行固定。

（3）采用显微成像笔拍摄滤膜，并将拍摄的图片发送至中心服务器；

先在显微成像笔上设置过滤的样品体积，然后利用显微成像笔对滤膜进行拍照，将镜头组放大倍率设置在200倍；选定约十个不同位置对滤膜进行拍照后，将图片数据及相关的参数信息，包括放大倍率、样品体积等，通过无线网络传输至服务器；

（4）中心服务器对接收的图片进行图像识别，对图像中的浮游植物种类进行判定和计数，获取优势种、群落结构组成信息，并与步骤（1）中采集存储的数据进行比对，生成水质报告。

服务器在收到请求后接收图片，对逐张图片数据进行识别和计数。

服务器端对收到的图片进行识别，并对样品中的浮游植物种类进行判定和计数，尤其是优势种类。服务器在分析得到浮游植物群落组成和生物量之后，与后台数据进行比对，得出当前水体的水质状态报告后，通过网络发送至用户设定好的接收端，例如智能手机，从而完成一次测定工作。

实施例2

如图2~3所示的基于浮游植物群落的湖泊生态健康便捷监测系统，包括：

载玻片，放置待测样品；

显微成像笔，采集待测样品图像，并发送至中心服务器；

中心服务器，对接收的图像进行分析，获取样品中浮游植物群落组成和生物量，生成水质报告，并发送至终端；

其中，所述显微成像笔为笔式显微成像装置，如图3所示，其组成包括镜头、CCD阵列、处理器、通信装置和显示装置。所述通信装置为无线通信。

进一步的，所述显微成像笔上还设置传感器接口和LED灯；所述传感器接口用于连接外接传感器；所述LED灯设置于镜头部位，用于提供照明。