[发明专利]基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置

说明书

本发明公开一种基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置，包括LED环状光源、圆柱形水样池、荧光探测模块、微控电路模块、外壳和底盖。本发明利用不同浮游植物光合色素的荧光特性，实现了浮游植物在4种波长激发光作用下的活体荧光强度及其叶绿素荧光诱导动力学参数的测量，可以同时反映浮游植物生物量及其生理活性，适用于重点水域富营养状况的实时监测和预警。本发明采用环状光源，兼顾了光源利用率和光照均匀性，主控电路以STM32L151为核心，保证装置能在水下长期高性能地作业，具有可开合的底盖，可实现水下原位采水、克服水体环境光和水流波动的干扰从而提高原位检测的准确性。

技术领域

本发明涉及浮游植物在线检测技术领域，具体涉及一种基于光合色素荧光的浮游植物原位在线检测装置。

背景技术

水体富营养化与藻类水华是全球普遍现象，已成为水环境污染的主要形式之一，对生态系统和水功能造成破坏，影响人类生产生活，甚至危及饮用水水质安全。据不完全统计，近年来我国河流湖库水华发生频次从20世纪80年代每年1～2次上升到2000年以后的每年近10次，常见水华藻有：蓝藻占81％，甲藻、绿藻、硅藻各占6％，裸藻占1％，湖泊以蓝藻水华为主，河流藻华则因不同水域而异。面对日益加剧的水环境问题，有关部门高度重视并采取了一系列治理措施。2016年12月11日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面推行河长制的意见》，其中第二条基本原则中提到了要立足不同地区不同河湖实际，实行一河一策、一湖一策；第八条指出要通过建立健全水环境风险评估排查、预警预报与响应机制来加强水环境治理。

目前，我国虽然已经在一些重点流域和敏感水域建立了水质在线监测网络和预警系统，但这些系统以常规水质理化参数为主，缺乏针对藻类水华的监测和预警，而传统的在实验室采用分光光度计、荧光光度计分析或人工计数法存在测量周期长、效率低的问题。因此，亟需发展浮游植物原位在线检测技术，直观、实时地反映敏感水域浮游植物的生长状况，在某些优势藻种种群浓度到达警戒阈值前采取措施，防止发生大规模水华。

现有的浮游植物在线检测技术主要有叶绿素荧光检测技术，利用浮游植物所含叶绿素a受激励光照射能产生荧光且荧光强度与叶绿素a含量相关的原理，通过检测激发荧光强度获得水体中叶绿素a含量从而表征浮游植物生物量。然而，对叶绿素a浓度进行在线监测仅仅获得水体中浮游植物的总体生物量，还有必要针对我国不同水域富营养化的差异性，对不同的优势藻种有针对性的监测。不同浮游植物由于所含光合色素不同，除了都含叶绿素a以外还具有不同的捕光色素，如绿藻的辅助捕光色素是叶绿素b，蓝藻则依靠藻胆蛋白捕光，除含藻胆蛋白的藻和绿藻外的其他藻类，主要依靠类胡萝卜素捕光，因此它们通过吸收不同波段的可见光而产生荧光。基于激发荧光特性的差异，可采用多波长激发光取代单波长激发光，实现浮游植物分类测量。

此外，尽管采用叶绿素荧光检测技术可以对浮游植物生物量进行在线监测，但并不能直接预警水华的发生，还需要考虑环境因素及浮游植物的生理活性，如果环境因素的变化抑制了浮游植物生长，即使浮游植物生物量偏高也不会爆发大规模水华。浮游植物的生理活性可以用光合作用活性来表征。目前主流的测定方法是叶绿素荧光诱导法：利用饱和脉冲法测量叶绿素荧光诱导曲线，获得F_o、F_m、F_t、F_m’、F_S、F_o’等参数，再进一步计算获得最大光化学量子产量F_v/F_m＝(F_m-F_o)/F_m和有效光化学量子产量Y(Ⅱ)＝Φ_PSⅡ＝ΔF/F_m’＝(F_m’-F_S)/F_m’等参数，表征光合作用活性。目前学术界基本达成共识，在健康生理状态下，绝大多数高等植物的F_v/F_m在0.8～0.85之间，藻类中绿藻门一般在0.7～0.75，硅藻门和甲藻门一般在0.65～0.7，蓝藻门因不同蓝藻而异，有研究表明太湖蓝藻的F_v/F_m在0.33～0.53。