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摘要:主动式荧光诱导方法具有灵敏度高和不受外界光照因素等优点而被广泛应用到光合作用参数的测量,但因被测对象的吸收光谱特征存在差异性,需调整激发参数才能获得更准确的光合作用参数.为解决这一问题,依据植物光合作用电子传递过程,分析还原态初级电子受体比例激发光饱和条件,从而建立自适应参考模型,结合激发序列的递推关系和可变步长最小均方差算法对激发参数进行自适应调整,并通过对实验室培育的蛋白核小球藻进行实验对比分析.结果表明:经10次自适应过程后可将预设初始光强[8600μmol quanta/(m2·s)]调整到最佳激发光强[34270μmol quanta/(m2·s)],此条件下光化学量子产率(Fv/Fm)与Water-PAM结果相比误差最小;在常见藻类中,绿藻与蓝藻的最佳激发波长分别为460 nm、625 nm,而在520 nm激发时效率最低.该自适应调整算法为光合作用参数测量提供技术支撑....
摘要:为了更准确获取反映植物生理状态的荧光动力学曲线,基于光合作用电子传递过程研究了植物光合作用参数测量技术.采用可变光脉冲技术将植物光合作用过程分段为快相与弛豫过程,并测量激发光诱导产生的荧光动力学曲线.对激发光带宽与响应时间进行了定量分析;对I-V转换单元与MFB滤波器进行了设计与仿真分析,获取快相荧光动力学信息;采用同步脉冲采样积分技术,对微弱弛豫荧光进行积分,实现了快相与弛豫荧光动力学曲线的完整测量,并结合非线性拟合算法获取光合作用参数.测试结果表明,系统信噪比达到23.8 dB;暗适应与光适应下,本系统所测Fv/Fm与Water-PAM测量结果的线性相关系数分别达到0.980和0.997.该研究结果为植物光合作用研究及过程参数测量提供了一种测量手段....
摘要:通过对植物叶绿素荧光的测量,可以实时获得植物生理状态信息.为了得到植物光合作用速率,通过对光合作用的电子传递进行分析,设计基于快相荧光技术高等植物速率测量仪.利用高速脉宽可调技术产生激发光信号,并利用高速采样技术获得微秒量级的快相荧光曲线,最后利用滑动窗口和最小二乘算法在数字信号处理器(DSP)平台上计算获得光合作用参数最小荧光产率(Fo)、最大光荧光产率(Fm)等信息,并基于光合作用吸收模型计算植物的光合速率(JVPSⅡ).通过对高温胁迫条件的高等植物光合参数进行测量,结果表明,可以获得光化学效率产率(Fv/Fm)、光合速率(JVPSⅡ)连续变化趋势,Fv/Fm与国外的PAM技术测量结果线性相关性达到0.982,该测量仪为研究植物光合作用提供了一种新的测量手段....
[硕士论文] 陈双
环境科学与工程 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:浮游植物作为主要初级生产者,是生态系统物质循环和能量流动的基础环节。传统初级生产力的测量包括植物生长分析与气体交换法等,需对样品进行预处理,费力、费时且无法实现快速实时测量;叶绿素荧光法和遥感法以叶绿素浓度与同化系数反演获取初级生产力,由于活性参数少,测量结果易受环境影响。因此,实现浮游植物初级生产力的快速准确测量对海洋生态环境科学研究、遥感地面数据校验以及理解全球碳循环演变等具有重要意义。
  荧光动力学方法基于光诱导可变叶绿素荧光描述光合作用过程,目前主要用于光合作用参数的分析。论文基于荧光动力学参数和细胞能流过程,研究了以光合电子传递速率表征浮游植物初级生产力的快速测量方法并进行了实验验证。完成的主要研究工作如下:
  (1)实验分析了不同门类微藻特性,遴选了实验藻种并确定了实验方法。实验对比分析了绿藻、蓝藻、硅藻和甲藻门中10种藻类的生长特性、生物活性与胁迫特性,结果表明蛋白核小球藻活性好、胁迫阈值大及藻细胞分布在溶液中均匀,易于实验对比分析,因此实验选择了蛋白核小球藻为研究对象。实验中为便于叶绿素a浓度数据连续记录,研究了蛋白核小球藻在680nrm处的吸光度(OD680)与标准方法测得的叶绿素a浓度([CHLa])的相关性,结果表明OD680与[CHLa]线性相关系数在0.996以上,且测量过程快速简单,适合连续测量,因此确定在本文研究中以OD680吸光度值替代叶绿素a浓度值,以便于数据连续测量。
  (2)研究了基于荧光动力学参数的浮游植物有效光合反应中心浓度分析方法。基于荧光动力学参数与浮游植物能流理论,理论分析了荧光、热耗散和光化学反应之间的关系,研究了浮游植物有效光合反应中心浓度直接分析方法,以不同生理状态下蛋白核小球藻为研究对象,实验验证了有效光合反应中心浓度测量的有效性。研究结果表明:正常生理状态下,荧光动力学参数法与同化系数法分析结果具有良好一致性,相关系数达0.999;非正常生理状态下,荧光动力学参数法较同化系数法测量结果更加准确地反映了浮游植物光合活性(Fv/Fm)、光合单元尺寸(nPSⅡ)引起的有效光合反应中心浓度的变化。
  (3)研究了基于光合电子传递速率的浮游植物初级生产力表征方法。基于有效光合反应中心浓度及光合电子传递“生物-光学”测量模型,计算获得光合电子传递速率Pe并进行初级生产力衡量,以蛋白核小球藻为研究对象,以放氧速率PO2为实验对照,通过光合活性抑制试验和藻类生长抑制试验对比两种方法测量结果,验证电子传递速率测量的有效性。研究结果表明:不同浓度DCMU胁迫下,浮游植物Pe与PO2具有很好的一致性,且二者随胁迫浓度下降明显,在一定胁迫时间内,PO2与Pe分别降低了71.55%和68.87%,二者相关系数达到0.934;不同营养盐或光照强度胁迫培养15天,浮游植物Pe和PO2仍然具有很好的一致性,相关系数在0.955以上。
  论文研究结果表明:基于荧光动力学参数的浮游植物初级生产力分析方法具有快速、准确、无需样品预处理等特点,实现了浮游植物初级生产力的实时分析,为发展浮游植物初级生产力在线、原位/现场快速准确直接测量仪器提供了基础。
摘要:根据生物膜能流理论和电子传递模型,结合快相与弛豫两种激发条件,对复杂的光合作用过程进行分析并简化计算,提出植物光合作用参数反演方法.利用滑动窗口斜率判定法确定最大荧光产率;利用线性最小二乘算法解析快相荧光过程获得光化学量子效率和功能吸收截面;利用离散迭代算法解析弛豫荧光过程获得质体醌平均还原时间常数.对对数生长期以及铜离子胁迫条件下的平裂藻和斜生栅藻进行实验测量,结果表明该方法反演结果具有良好的稳定性和重复性,光化学量子效率、功能吸收截面和质体醌平均还原时间常数的测量结果相对标准偏差分别为1.25%、1.50%和1.83%,其中光化学量子效率与脉冲振幅调制技术的测量结果线性相关系数达到0.9714.该方法为研究植物生理研究提供一种光学分析手段....
摘要:快速、准确评估浮游植物的初级生产力对研究海洋生态环境科学及理解全球碳循环演变规律等至关重要.针对14C示踪法和黑白瓶法等传统方法表示的初级生产力存在测量周期长、操作繁琐等问题,依据生物膜能流理论,基于荧光动力学方法,即通过光源诱导产生可变叶绿素荧光获得光合参数,结合光合电子传递速率“生物-光学”模型,对基于荧光动力学参数的光合电子传递速率的测量进行研究.通过不同胁迫条件下蛋白核小球藻的测试,对比液相氧电极测量的光合放氧速率,验证光合电子传递速率测量浮游植物初级生产力的有效性.结果表明:在不同浓度的二氯苯基二甲脲的胁迫下,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率具有良好的一致性,且二者随胁迫浓度增加而减小明显,光合放氧速率与光合电子传递速率分别减小了71.55%和68.87%,二者相关系数的平方达到0.934;在不同营养盐或光照强度下胁迫培养15 d,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率仍然具有良好的一致性,二者相关系数的平方大于0.955....
摘要:浮游植物有效光合反应中心浓度与其生长环境、生理状态密切相关,文中以生物膜能流理论为基础,基于初始荧光效率(F0)和功能吸收截面(σPSⅡ)的荧光动力学参数研究了浮游植物有效光合反应中心浓度分析方法.利用该方法对不同生长条件下的蛋白核小球藻进行了测试,结果表明:正常生理状态下,荧光动力学参数法与同化系数法分析结果具有良好的一致性,相关系数R2达到0.999;非正常生理状态下,荧光动力学参数法较同化系数法更能准确反映浮游植物光合活性(Fv/Fm)和光合单元尺寸(nPSⅡ)引起的有效光合反应中心浓度的变化;在短期胁迫条件下,荧光动力学参数法分析结果与Fv/Fm相关系数R2可达0.920;在长期光照胁迫条件下的分析结果也能反映光照变化引起的浮游植物nPSⅡ变化信息,且与已有研究成果相符.研究结果为浮游植物有效光合反应中心浓度的准确测量提供了一种新方法....
摘要:针对活体荧光光谱不稳定引起的蓝藻门活体藻类定量误差问题,以实验室培养的4种类6个生长期的48个蓝藻样品为研究对象,通过测量样品叶绿素a和藻蓝蛋白的含量,结合藻类活体三维荧光光谱,研究了不同藻种种类、生长期和生长环境下蓝藻细胞色素组成和色素荧光效率的差异;定量分析不同条件对藻类活体荧光光谱不稳定性的影响,获得了不同条件下的光谱不稳定性权重谱;在此基础上,构建基于加权平均方法的蓝藻门活体藻类加权荧光光谱;比较了加权荧光光谱与不同条件下归一化荧光光谱对样品集的测量结果.结果表明:加权荧光光谱能有效降低荧光测量法对藻种种类、生长期、生长环境的依赖性,提高蓝藻门叶绿素浓度的测量准确性;测量结果的相对误差为0.1%~30.4%,平均相对误差为12.8%o,相对误差最大可降低104.1%....
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