Automatic area estimation of algal blooms in water bodies from UAV images using texture analysis

Algal blooms,the spread of algae on the surface of water bodies,have adverse effects not only on aquatic ecosystems but also on human life.The adverse effects of harmful algal blooms(HABs)necessitate a convenient solution for detection and monitoring.Unmanned aerial vehicles(UAVs)have recently emerged as a tool for algal bloom detection,efficiently providing on-demand images at high spatiotemporal resolutions.This study developed an image processing method for algal bloom area estimation from the aerial images(obtained from the internet)captured using UAVs.As a remote sensing method of HAB detection,analysis,and monitoring,a combination of histogram and texture analyses was used to efficiently estimate the area of HABs.Statistical features like entropy(using the Kullback-Leibler method)were emphasized with the aid of a gray-level co-occurrence matrix.The results showed that the orthogonal images demonstrated fewer errors,and the morphological filter best detected algal blooms in real time,with a precision of 80%.This study provided efficient image processing approaches using on-board UAVs for HAB monitoring.

Effect of Marine Planktonic Algal Particles on the Communication Performance of Underwater Quantum Link

As one of the main application directions of quantum technology,underwater quantum communication is of great research significance.In order to study the influence of marine planktonic algal particles on the communication performance of underwater quantum links,based on the extinction characteristics of marine planktonic algal particles,the influence of changes in the chlorophyll concentration and particle number density of planktonic algal particles on the attenuation of underwater links is explored respectively,the influence of marine planktonic algal particles on the fidelity of underwater quantum links,the generation rate of the security key,and the utilization rate of the channel is analyzed,and simulation experiments are carried out.The results show that with the increase in chlorophyll concentration and particle density of aquatic planktonic algal particles,quantum communication channel link attenuation shows a gradually increasing trend.In addition,the security key generation rate,channel fidelity and utilization rate are gradually decreasing.Therefore,the performance of underwater quantum communication channel will be interfered by marine planktonic algal particles,and it is necessary to adjust the relevant parameter values in the quantum communication system according to different marine planktonic algal particle number density and chlorophyll concentration to improve the performance of quantum communication.

Taxonomic Analysis and Ecological Features of the Algal Flora of the Water Bodies of the West Zarafshan Range

There are a number of reservoirs in the West Zarafshan Range, which have their own water-saturated, hydrographic, soil and ecological features. In this regard, their algoflora is also formed in its own way. As a result of research in this area, 217 species of algae were identified, belonging to 5 divisions, 11 classes, 37 orders, 57 families and 97 genera. The development and distribution of organisms in water is influenced by a number of external factors, such as: temperature, light, mineral and organic substances, active-reactive water environment, gas regime (oxygen, carbon dioxide, hydrogen sulfide), flow rate, change in water volume, degree transparency and wave formation.

Impacts of algal blooms on sinking carbon flux and hypoxia off the Changjiang River estuary

Based on 10 multidisciplinary investigations conducted from February 2015 to January 2016,the phytoplankton community and its association with ambient seawater physicochemical parameters in the Changjiang(Yangtze)River estuary(CE)and its adjacent waters were comprehensively examined.In total,265 taxa were identified,belonging to 5 phyla and 94 genera.Diatoms(63.78%)and dinoflagellates(33.21%)were the dominant groups.The variation of diatom abundance showed a positive relationship with the nutrient concentrations while the dinoflagellate abundance showed a negative relationship.Two algal bloom events occurred during the investigation period.The Changjiang Diluted Water(CDW)induced environmental gradients in the upper layer,favoring the diatom bloom in July.The invasion of the nearshore Kuroshio branch current could affect the formation of a bloom of Prorocentrum donghaiense.With the blooming and senescence of phytoplankton,low dissolved oxygen(DO)and hypoxia occurred in the bottom waters.The bottom DO concentration displayed a significantly negative correlation with phytoplankton carbon flux.The present study provides straightforward evidence for the source of organic matter for oxygen consumption in the CE and its adjacent waters.

Factors inducing morphological transition in harmful algal bloom-forming species Phaeocystis globosa with emphasis on predator chemical cue

The microalga Phaeocystis globosa is recognized as a harmful alga and also one of the few keystone phytoplankton genera that shape the structure and function of marine ecosystems.P.globosa possess a complex polymorphic life cycle,exhibiting phase alternation between free-living cells of approximately 3-6μm in diameter and gelatinous colonies(palmelloid stage)reaching several millimeters.The knowledge on the factors that induced the morphological transition of P.globosa in the last two decades was reviewed.Emphasis is given to infochemicals,an additional biological factor induced by predator,with the attempt to reveal a relevant mechanism of induced morphological defense.

湖库蓝藻水华控制技术发展、应用及展望

蓝藻水华暴发会引起供水系统堵塞、水体异味、水生生物死亡等一系列生态环境问题,严重时还将威胁饮用水安全,因此采取切实有效的蓝藻水华控制技术对蓝藻水华防控至关重要。通过文献调研系统梳理了国内外蓝藻水华控制技术发展历程,综述了典型蓝藻水华控制技术及其适用范围、应用情况及优缺点等。结果表明:蓝藻水华控制技术总体分为物理控藻技术、化学控藻技术和生物控藻技术。从技术文献关键词时间发展脉络看,2010年之前国外蓝藻水华控制技术关键词多集中在絮凝、混凝等化学控藻技术,2010年后向水生植物抑藻等生物控藻技术发展;我国蓝藻水华控制技术关键词2010年前主要集中在鲢鳙鱼控藻、水生植物抑藻等生物控藻技术,2010年后超声波、机械除藻等物理控藻技术和絮凝等化学控藻技术快速发展,2015年后物理控藻技术进一步发展。国外蓝藻水华控制技术于20世纪50年代起步于化学控藻技术,2000年后研发了超声波、光波等物理控藻技术,2010年后主要以生物控藻和化学控藻技术为主;国内蓝藻水华控制技术于20世纪80年代起步于针对小型水体的生物控藻技术,2000年后逐渐发展为针对大型湖库的机械除藻技术(物理控藻技术)。物理控藻、化学控藻技术的应急效果显著,但物理控藻技术存在成本高、长效性不足等缺点,化学控藻技术存在二次污染风险;而生物控藻技术存在见效慢、有外来物种入侵风险、生态系统被扰乱风险等生态安全问题,目前实际应用案例较少。未来应加快推进蓝藻水华控制技术优化筛选和示范应用,同时开展蓝藻水华控制技术与内外源污染控制、水生态修复等技术的集成应用,提高蓝藻水华控制效果。

Different in-vitro and Clinical Studies to Evaluate the Improvement of the Eyes Cream Containing the Natural Algal Complex

A natural algal complex is prepared from the brown alga Undaria pinnatifida rich in fucoidan and the red calcareous algal Corallina officinalis. The effect of the algal complex was demonstrated by transcriptomic analysis on normal human fibroblasts through the DNA chip technology from AFFYMETRIX, combined with the following in vitro Elisa test and clinical studies. Clinical studies have been performed with a basic cream containing complex versus placebo on 2 groups of 30 Caucasian women for a period of 28 days. In the present study, the natural algal complex works on the crow’s feet, eye bags, and dark cycle through multiple ways of action, including enhancing natural immune responses, regulating the inflammatory and immunity process, and promoting the extracellular matrix synthesis. As the natural algal complex has excellent improvement on the eye circumference, we have applied it to mageline firming anti-wrinkle eye cream for further research.

2019-2021年中国近海有毒有害微藻和藻毒素分布数据集

中国近海包括渤海、黄海、东海和南海,海洋资源丰富,对国家经济发展有着重要战略意义。近年来,藻类及藻类产生的藻毒素造成的水体安全问题日益严重,中国近海有害藻华的发生频率和规模不断增加。本数据集汇总整理了2019-2021年中国近海有毒有害微藻和藻毒素调查数据,包括3429条微藻数据、33240条微藻分子物种数据、489条浮游植物中藻毒素数据、76条海水中藻毒素数据和440条经济物种体内藻毒素数据。提供数据的各研究团队通过项目内部和国际互校确保检测数据的准确性。为展示中国近海有毒有害微藻和藻毒素的分布情况,提供了115幅微藻分布图和29幅藻毒素分布图。本数据集可以为中国近海有毒有害微藻和藻毒素的时空分布规律研究、有害藻华的预防预警及防治等提供数据支撑。

我国城市水源水库水质风险成因及对策

我国城市水源中约40%为湖泊或水库,且大部分为水库,因此水源水库的水质状况对我国城市安全极其关键。本文综述了我国水源水库水质问题研究进展,分析了22个代表性水源水库的周年水质状况。结果发现,当前我国城市水源水库水质风险类型主要是异味问题、藻类水华、铁锰超标、有机质偏高、营养盐超标等。引发水源水库水质问题的主要原因包括流域开发强度过大、库底淤积及内源释放、生态系统结构失衡、气候与水文异常变化等。针对上述主要问题,提出了构建在线水质监测预警体系、控制流域土地开发强度、构建面源拦截及流域净化系统、疏浚底泥、优化生态系统结构、实施应急曝气与控藻工程、完善流域生态保护法律法规等多种水源水库水质安全保障技术措施。鉴于水源水库水质及水生态对暴雨、高温热浪等极端气象响应敏感而复杂,在当前极端天气事件频发、强度不断增加的气候背景下,还应加强水库生态学基础研究,以深入理解水源水库水质对气候变化的响应机制,提高水库水安全保障科技支撑能力,满足我国城市高质量发展的水资源需求。

三峡水库小江回水区水华暴发期浮游植物群落结构及其与环境因子的关系

三峡水库蓄水以来,支流水华频发,尤以小江情况最为严重,给三峡库区的生态安全带来较大隐患。为探究支流水华暴发特征和主控因素,于20142021年小江水华暴发期间在小江高阳江段进行浮游植物及环境因子调查,并使用单因素方差分析、聚类分析、百分比相似性分析以及基于距离的线性模型等方法,对小江水华暴发期间浮游植物和环境因子在不同年份不同水层间的差异以及二者的关系进行研究。结果表明:小江水华暴发期内,浮游植物的种类数在43~70种之间,其中2015年蓝藻种类数明显减少,2018年以后硅藻种类数明显减少;采样期间浮游植物平均细胞密度在0.66×10^(6)~61.28×10^(6)cells/L之间,同期表层细胞密度明显高于中层和底层;各层水体间水华微囊藻、铜绿微囊藻、不定微囊藻等10种藻的密度存在明显差异,是主要差异种;显著影响表层、中层和底层浮游植物群落结构变动的环境因子是水位的日平均变幅;水位的日平均变幅与藻类优势种拟合关系显示,当日水位下降幅度在0.5 m以上时,浮游植物平均密度会呈指数级减少。研究结果可为三峡库区支流水华的防控提供数据支持。

预混合和预沉积MIEX-超滤处理含藻水的膜污染控制

为了降低超滤处理含藻水的膜污染,探究了预混合和预沉积磁性离子交换树脂(MIEX)超滤处理含藻水的膜污染控制。对实验过程中的总阻力、可逆阻力及不可逆阻力进行分析,并使用扫描电子显微镜、三维荧光光谱、不可逆污染组分及超滤过滤模型对膜污染机理进行探究。结果表明:在相同投加量下,预沉积MIEX比预混合MIEX膜污染的控制更好,最大预沉积量为235.2 mL/m^(2)时,膜污染控制最好,此时预沉积MIEX的总阻力、可逆阻力和不可逆阻力分别比预混合MIEX的相应值低52.7%、65.7%和50.1%;蛋白质均是造成2种投加方式不可逆阻力的主要原因;随着预混合投加量的增加,滤饼层厚度从4.82 m降低至4.07 m,滤饼层内藻细胞及胞外有机物(EOM)含量降低;在预沉积MIEX中,随着沉积量的增加,沉积层形态发生变化,当沉积量最大时,沉积层拦截较多藻细胞和EOM,形成明显的藻类滤饼层。

典型水污染事故应急处置实用技术探究

当前水污染事故频发多发态势仍未改变,且突发水污染事故处置有预案、缺技术、少装备的问题依然突出。为满足我国水污染事故应急处置需求,综合考虑应急处置技术的去除、稳定性、设备化、机动化、可操作性和适应性等关键因素,重点探讨了水体藻华、重金属和有机物以及水面油类等污染的实用处置技术,优选出移动式藻华高效打捞脱水一体化处置船、化学絮凝耦合超磁分离技术、集约式一体化快速生化污水处理技术、异相催化氧化等高效处置技术,研究成果可为今后突发水污染事故应急处置提供有效支撑。

海藻酸钠-活性炭固定化藻菌球的制备及其对碱性橙Ⅱ的降解

以海藻酸钠和活性炭为包埋剂、CaCl_(2)为交联剂,采用吸附-包埋法制备了固定化藻菌球,处理偶氮染料碱性橙Ⅱ.通过响应面法优化了制备条件,采用扫描电镜观察了藻菌球外部和内部的结构,并考察了其重复利用性能.结果表明,藻菌球的最佳制备条件为:海藻酸钠、活性炭、CaCl_(2)质量浓度分别为2.58%、0.838%、2%;固定化生物量为1.139%(质量浓度),泥和藻的质量比为2:1;固定化时间为14h.当进水染料浓度在50~250mg/L,进水pH值在6~10.5范围内,脱色率均可达到90%以上,TOC的去除率在74%~90%之间.由紫外-可见全波长扫描图谱和GC-MS扫描图谱可知,碱性橙Ⅱ中的氮氮双键、共轭体系以及苯环结构均被破坏,发生脱色降解反应,实现了对该偶氮染料的矿化.藻菌球经过5次重复利用,仍可保持较高的脱色率和TOC去除率.

汉江中下游藻华暴发特征及生态流量阈值

基于2015~2019年汉江中下游水文,水环境和水生态数据,采用主成分分析与冗余分析识别了河流藻华暴发防控的关键因子,拟合得到其调控阈值,然后,使用断面通量法和流速抑制法推求了抑制河流藻类水华暴发的生态流量.结果表明:汉江中下游藻类水华主要发生在枯水期,枯水期藻类优势种群为硅藻,小环藻为优势种,丰水期绿藻门和硅藻门是优势种群,小球藻为优势种.流速是影响汉江藻类生长的主控因子,当流速超过0.462m/s时,流速继续增大将抑制藻类生长.汉江中下游枯水期控制藻类水华的生态流量:沙洋断面流量为890m^(3)/s,潜江断面流量为918m^(3)/s,仙桃断面流量为953m^(3)/s,汉川断面流量为1075m^(3)/s.

三峡库区汉丰湖水华期水体富营养化研究

汉丰湖是三峡库区的“库中库”,同时也是我国西部地区最大的城市人工湖,近年来时有水华暴发。通过在汉丰湖流域蓝藻水华暴发期选择10个采样点进行水环境质量监测,结合对该地区的实地调研情况,分析了该区域水污染的主要成因。结果表明,研究区的总磷、氨氮、总氮、化学需氧量、五日生化需氧量、高锰酸盐指数等各污染物指标均较高,且时空分布差异较大,南河汇入区水质明显劣于其他区域。根据富营养化评价结果,研究区的富营养化指数自西向东逐渐下降,氮、磷是导致水体出现富营养化的重要因素。

菌藻共生系统处理重金属废水的机理及其应用进展

首先从菌藻之间的关系介绍了菌藻共生系统。随后,阐述了菌藻共生系统处理重金属废水的机理,主要是细胞通过吸附作用将重金属附着在细胞壁表面,再将重金属运送到细胞内进行生物富集,以及胞外聚合物与重金属形成络合物去除重金属。最后,综述了菌藻共生系统处理畜禽养殖废水和矿山废水以及纺织废水的现状。归纳了菌藻共生系统处理重金属废水的优点以及现阶段存在的问题,并对发展前景进行了展望。

典型风力条件及水力调度下太湖藻华高频时空动态监测

湖泊藻华问题已成为全球水生态环境领域面临的长期挑战,风力条件变化和引调水工程的水力调度能改变湖体水动力结构,对藻类的生长和聚集过程产生影响,进行该过程的精细化监测和机制分析对于湖泊藻华预报预警和应急处置具有重要意义。本研究基于Hiamwari-8/AHI卫星遥感高频监测数据,对比分析了归一化差异植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)和浮游藻类指数(FAI)3种不同指数对太湖藻华的反演效果,开展了典型风力条件下和水力调度下太湖藻华生消过程的持续监测分析。结果表明,FAI对藻华区域和非藻华区域的区分更加明显,其阈值提取的藻华面积与基于MODIS图像解译的藻华面积的相对误差最低,为-2.27%。当营养盐充足且水温持续保持在蓝藻大量生长增殖的阈值以上时,风力条件是导致太湖藻类迁移聚集的关键因子,风向主要影响藻类的水平迁移,使其进行方向性迁移并逐渐形成大面积藻华区域。风速主要影响藻类的垂向迁移并存在临界阈值,当风速低于约2.5 m/s的临界风速时,藻华面积随风速增加而增加;当风速高于临界风速时,藻华面积随风速增加而降低。水力调度对距离较近的贡湖湾区域具有显著影响,主要通过水动力扰动来影响藻类的垂向迁移,使藻类沿水深方向强烈掺混,导致区域藻华面积下降。此外,持续且更大流量的调水将不断增强水动力扰动,减小区域藻华面积。本研究揭示了典型风力条件及水力调度下太湖藻华分布特征和迁移机理,可为湖泊藻华的精确动态监测预警和科学管控提供重要技术支撑。

湿藻油脂制备生物柴油的研究进展

利用含油量高、生长速度快及能净化环境的微藻转化制取生物燃料具备较大发展潜力,是实现“碳中和”和解决环境问题的有效途径之一。为了降低微藻制取生物柴油的能耗,利用湿法提取技术直接从湿藻生物质中提取油脂制备生物柴油成为研究热点,综述了传统细胞破壁提油酯交换法、原位酯交换法及新型水热破壁提油酯交换法3种湿藻油脂制备生物柴油的研究情况并分析了各自存在的问题。传统细胞破壁提油酯交换法需要有机溶剂提取油脂和酯交换两步实现生物柴油的制备,生产工艺复杂,生产投入较高。原位酯交换法可实现微藻生物质一步转化为生物柴油,但存在醇消耗量过大(酸催化原位酯交换)或高温高压能耗高(超临界醇原位酯交换)等问题。新型水热破壁提油酯交换法能够在不使用有机溶剂的情况下实现湿藻油脂的高效分离,但水热温度较高时油脂会与微藻其他组分反应导致油脂品质劣化,水热温度较低时难以有效破坏细胞壁导致油脂提取效率降低。绿色溶剂辅助水热法可有效降低水热温度并抑制副产物的生成,可提高湿藻油脂提取率。为实现湿藻油脂的高效、环保、低耗制备生物柴油,可进一步依托深共熔溶剂等创新绿色溶剂低耗高效绿色提取微藻油脂。

鄱阳湖流域典型水源水库水华暴发成因及氮污染溯源

富营养化导致的藻类水华是水源地水库面临的主要生态问题之一。探究水源水库中水华暴发成因并开展污染物溯源研究,是预防水华暴发的重要前提。本文选择鄱阳湖流域赣江水系吉安市某典型水源水库为研究对象,通过分析无水华期和水华暴发期水环境特征及其演变规律,探讨了水华暴发的成因及其促发条件,并针对识别出的主要污染因子,开展了同位素溯源研究。结果表明:(1)水库水华暴发的主要原因为水体总氮浓度显著升高(由0.77 mg/L升高至1.57 mg/L),超出了国际公认的水华暴发总氮阈值(0.5~1.2 mg/L),加之夏季高温(32℃)、水库库容量较低,促进了水华暴发;(2)无水华期,水库表层水总氮主要赋存形态为硝酸盐氮(占比>90%),水华暴发期,表层水总氮主要赋存形态由硝酸盐氮转变为有机氮(占比~86%),氮赋存形态转化的主要原因为藻类同化吸收作用;(3)硝酸盐氮、氧同位素示踪结果表明,水库硝酸盐氮主要来源于上游稻田流失的氮肥(负荷贡献率64.45%),其次为上游山区土壤氮流失(14.08%)、大气沉降(12.35%)和农村生活污水(9.12%),因此水库总氮优先控制污染源为上游稻田流失的氮肥。

我国常用湖泊营养状态指数研究进展与展望

湖泊(包括自然湖泊和人工水库)富营养化已成为世界性的环境问题,营养状态指数是目前最流行的富营养化水平量化方法。然而,不同营养状态指数的基本逻辑和适用水体等方面存在明显差异,不当选取可能会造成营养水平和相关水华风险的错误估计,并引发湖泊保护和修复措施的错位。鉴于此,本文对我国常用营养状态指数的构建思路、共性和差异以及不确定性来源等进行了综述。总体来看,营养状态指数基本构建思路分3种:1)Carlson指数型(如TSI),以透明度(SD)为核心参数,使用SD的2倍变化对应指数的10分差值,假定SD为64 m时记为指数值0分;2)改良TSI指数型(如TSIm),以叶绿素a(Chl.a)为核心参数,使用Chl.a的2.5倍变化对应指数的10分差值,假定Chl.a 1000μg/L对应该指数100分;3)营养足迹指数型(如TFI),该指数亦使用Chl.a指示藻类生物量,Chl.a的e倍关系对应藻类生物量的二倍变化和指数10分差值,假定Chl.a为10μg/L时对应该指数50分。根据上述假设得出对应的基础参数评估方程,然后均以基础参数(SD或Chl.a)与衍生参数间的经验方程“直接替换”获得衍生参数的评估方程。如上可知,营养状态指数均体现了数值增大表征藻类初级生产力和伴随的水华风险提高的共性,同时本文也从:1)数据集属性和基础指标评估方程获取的方法;2)衍生指标评估方程获取的统计原理;3)分项指标的权重设置方式3个方面分析营养状态指数之间的差异性。未来展望方面,首先,鉴于当前营养状态指数均属于通用性指数,因而建议未来基于上述3种基本类型开发因地制宜的营养状态指数,实现湖泊藻类生产力和水华风险的精准指示;其次,营养状态指数的生态学依据是藻类限制因子理论,营养状态指数各分项指标(即基于总氮、总磷、SD和Chl.a)的差异可以指示初级生产力的限制因子,建议未来开展营养状态指数分项指标差异机制研究,以指导藻类水华防控措施精准施策;再次,除富营养化外,湖泊生态健康受损往往也与其它压力有关,建议未来开展湖泊生态健康对富营养化和其他压力的综合响应机制研究,制定服务于湖泊生态系统健康提升的精准调控路径。本文目的并非将营养状态指数的通用属性“复杂化”,而是旨在阐明营养状态指数的“前世今生”,进而为广大湖泊富营养化相关人员使用指数时提供参考,也希望为我国湖泊营养状态精准量化、后续保护和修复措施的精准实施提供科学依据。