YSI6600V2水质多参数仪现场快速法与实验室分光光度法测定湖泊藻类叶绿素的比较

第8卷第5期2016年10月环境监控与预警EnvironmentalMonitoringandForewarningVol.8,No.5October2016YSI6600V2水质多参数仪现场快速法与实验室分光光度法测定湖泊藻类叶绿素的比较宋挺，朱冰川，严飞，徐超(无锡市环境监测中心站，江苏无锡214121)摘要：通过将YSI6600V2水质多参数仪测得的叶绿素a值与实验室分光光度法叶绿素a测定值进行比较，分析了YSI6600V2多参数水质监测仪测定叶绿素a的准确性与局限性。结果表明，YSI6600V2测定值多数偏低，且相关性较差。将YSI6600V2测得的蓝藻密度样本分为2类后，相关性得到显著提升。提出了利用蓝藻密度对样本进行分类后，分别进行叶绿素a校正的方法，并说明了此种校正方法的局限性。关键词：叶绿素；YSI6600V2水质多参数仪;荧光法；局限性中图分类号：X835文献标志码：B文章编号=1674-6732(2016)05-0014-05ComparisonofOnsiteYSI6600V2Multi-ParameterWaterQualityMeterandLaboratorySpectrophotometryfortheDeterminationofLakeAlgalChlorophyllSONGTing,ZHUBing-chuan,YANFei,XUChao(WuxiEnvironmentalMonitoringCenter,Wuxi,Jiangsu214121,China)Abstract：Inthisstudy,wecomparedthemeasuredvaluesofchlorophyllabybothYSI6600V2multi-parameterwaterqualitymeterandlaboratoryspectrophotometry,andexploredtheaccuracyandlimitationsofthemeasurementbytheYSI6600V2multi-parameterwaterqualitymonitor.TheresultsshowedthatthemajorityofthemeasuredvaluesbyYSI6600V2waslowandhadpoorcorrelation.AfterdividingthecyanobacteriasamplesintotwocategoriesaccordingtotheirmeasureddentistrybyYSI6600V2,thecorrelationwassignificantlyimproved.Weproposedtheuseofacorrectionmethodforchlorophyllameasurementafterclassifyingthecyanobacteriasamplesbasedonthedensity,andillustratedthelimitationsofthismethod.Keywords：Chlorophyll；YSI6600V2multi-parameterwaterqualitymeter；Fluorescencemethod；Limitations随着经济的快速发展，内陆湖泊水体富营养化越发严重，频频发生“水华”现象，使得对浮游植物的监测成为研究的热点[1]。叶绿素是衡量水体初级生产力的重要指标，对叶绿素进行测定可以了解水体的生产力和富营养化水平，因此浮游藻类中的叶绿素是衡量水体富营养化的重要指标[2]。浮游植物细胞内叶绿素含量随浮游植物种类或类群而有所不同，同时还受浮游植物年龄、生长率、光和营养条件的影响[3]。通常，水样中叶绿素的量可用来计算浮游植物的密度，而浮游植物的密度对于预测藻类的暴发和间接测量水体富营养化非常有帮助。叶绿素a的传统测试方法——提取分析方法[4]，测试程序耗时长，需要有经验的分析人员方能确保良好的数据及长期的一致性，且不能用于连续监测[5]，无法获—14—得水华发生初期第一阶段重要的实时数据。为适应夏季繁重的蓝藻预警监测任务，YSI多参数水质监测仪在环境监测领域被广泛使用，在对溶解氧、电导率、叶绿素a和蓝藻密度等水质项目的连续监测方面，YSI比实验室常规监测更优越。叶绿素荧光与植物光合作用密切相关，研究表明，植物吸收的太阳辐射能量用于3个方面：光合作用中的光化学反应、热耗散和荧光[11]。这3者收稿日期=2015-08-07;修订日期=2016-03-17基金项目：江苏省高校自然科学研究基金资助项目(14KJB170009);江苏高校优势学科建设工程基金资助项目(164320H116)作者筒介：宋挺（1982—），男，工程师，本科，从事生物监测和生态遥感监测研究工作。第8卷第5期宋挺等.YSI6600V2水质多参数仪现场快速法与实验室分光光度法测定湖泊藻类叶绿素的比较2016年10月式中：'YSI----YSI6600V2万法测量的p(叶绿素a)经模型反演换算后的值，mg/L;^Lab----实验室检测的P(叶绿素a)，mg/L;n——样本数。在植物生理上是密切关联的，存在着近似此消彼长的关系，因此可以通过荧光更为直接地探测与植物光合作用相关的信息。荧光的探测方法分为主动和被动2类，主动的方法包括荧光动力学技术和激光诱导荧光技术。现使用的YSI多参数水质监测仪的型号为YSI6600V2(以下简称YSI6600V2)，它对叶绿素a和蓝藻使用的是激光诱导荧光技术。监测叶绿素a时，用峰波长为470nm左右的蓝光作为激发光源。用这种蓝光照射时，在完整细胞中存在的叶绿素a将会发射出光谱在650〜700nm范围内的荧光。为了量化荧光信号，系统检测器采用高灵敏度的光敏二极管，并且用光学滤光片限定检测波长。滤光片阻止了被水样中颗粒反射的470nm的激发光被检测到。为验证YSI6600V2监测叶绿素a浓度的准确性，现就YSI6600V2检测的叶绿素a数据与传统实验室方法检测的叶绿素a数据进行了比对实验。1材料与方法1.1样品采集根据无锡市环境监测中心站对太湖梅梁湖水域的巡查路线，将采样点分布于太湖梅梁湖水域，见图1。于2010年1一11月期间，共采集313个样品。1.2样品分析为保证数据的准确性与可比性，水样采集后，倒入YSI6600V2仪器测量杯中测定叶绿素a和蓝藻密度。测试完毕后，取一定体积的水样进行抽滤(根据样品中叶绿素a含量决定），将滤膜的水分吸干后对折，根据国家环境保护总局编制的《水和废水监测（第四版）》中叶绿素a的测定方法，对水样的叶绿素a浓度进行实验室测定。1.3方法间评估现使用均方根偏差（rootmeansquareerror,RMSE)和平均绝对偏差（meanabsolutepercentageerror,MAPE)来评价2种叶绿素a测量方法的结果，计算公式分别为：^_'YSIMAPE=^----x100%(2)2结果与讨论2.1YSI6600V2与实验室测定叶绿素a结果比对YSI6600V2与实验室测定叶绿素a浓度的结果如表1所示。其中，101组数据样本YSI6600V2测定值比实验室方法测定值高，2组数据样本测定值相同，210组数据样本YSI6600V2测定值比实验室方法测定值低，说明YSI6600V2测定值较实验室方法多数偏低。表12种方法测定叶绿素a结果的统计！xg/L统计项目实验室YSI6600V2样本数313313最大值0.3330.041最小值0.0020.0021平均值0.02560.0123偏差0.0350.00812对2组数据做配对T检验，在置信水平为95%时，显著性水平为0.05，双尾检验概率值为0.000,0.05,拒绝零假设，表明2组数据有显著性差异。对这2组数据做相关性分析，得到决定系数为0.069,相关性较差，线性回归见图20由图2可见，2组数据的相关性虽然较差，但—15—ArlpbbrnOTeAJTT-pmrn第8卷第5期宋挺等.YSI6600V2水质多参数仪现场快速法与实验室分光光度法测定湖泊藻类叶绿素的比较2016年10月0.3500.300^0.250觸礙0.200^0.150班^0.100鑛0.050械0.000尸l_1527x+0.0114於0.06950.010.020.030.040.05YSI方法p(叶绿素ayOgt1)图2YSI6600V2方法测定与实验室方法测定叶绿素a值线性回归样本点分布集中在2个区间，即有着2组不同方向的趋势。针对每组样品，还用YSI6600V2测量了蓝藻密度，根据测定蓝藻密度的不同，分别以500,1000,1500和2000万IT1为界，将数据分为蓝藻高密度样本和蓝藻低密度样本2组，对YSI6600V2方法和实验室方法测定的叶绿素a值分别进行回归比较，结果如图3(a)(b)(c〇(d)(e)(f)(g)(h)和表2所示。(a)500万L—1临界?.V密度组；（b)500万IT1临赫低密度组1(e)1000万L-1临界“密度组KcOl000万L-1临界低密度组;U)1500万L-_界高密度组；（01500万T，1临界低密度组；（s)2000万T，1临界商密度绀；〇〇2000万T，1临界低密度组，图3分组后2种方法比对的线性回归16—第8卷第5期宋挺等.YSI6600V2水质多参数仪现场快速法与实验室分光光度法测定湖泊藻类叶绿素的比较2016年10月表2蓝藻密度不同临界值分组的2种方法比对结果蓝藻临界密度/L-1高密度组决定系数低密度组决定系数决定系数平均值5000.22140.70810.464810000.59510.69730.646215000.56270.61900.590820000.53480.50230.5186由图3和表2可见，按照蓝藻密度不同的临界值将样品分组后，2种方法均显著相关，且相关性都得到了显著的提高。现取平均决定系数最高的蓝藻密度为1〇〇〇万临界值进行分析，结果显示，当YSI6600V2测得的蓝藻密度1000万L—1时，以YSI6600V2测量叶绿素a浓度为自变量，实验室方法测量叶绿素a浓度为应变量，通过线性拟合，回归方程如式（3)所示。2种方法叶绿素a值的决定系数为〇.5951，RMSE为0.0505mg/L，MAPE为74.45%。y=8.9913尤+0.0299(3)当YSI6600V2测得的蓝藻密度1000万L-1时，以其测量叶绿素a浓度为自变量，实验室方法测量叶绿素a浓度为因变量，通过线性拟合，回归方程如式（4)所示。2种方法叶绿素a浓度值的决定系数为0.6973，RMSE为0.00803mg/L，MAPE为28.53%。y=0•826%+0•0031(4)可以看出，根据蓝藻密度对样本进行分组后，2类样本的相关系数均显著提升，其中蓝藻低密度样本组的相关性高于蓝藻高密度样本组；而YSI6600V2方法和实验室方法测定叶绿素a值的RMSE和MAPE，蓝藻低密度样品组也低于蓝藻高密度样品组。2.2比对结果原因分析对YSI6600V2方法和实验室方法测定的叶绿素a值进行线性回归时，313组样本虽然总体相关性较差，但是散点图显现出2组不同的集中分布区间。在利用蓝藻密度将这313组样本分为蓝藻高密度样本区和蓝藻低密度样本区后，2组样本区的相关性均显著得到了提升，其中蓝藻高密度样本区的偏差要高于蓝藻低密度样本区的偏差。现通过YSI6600V2测定叶绿素和蓝藻密度的原理，对这种现象进行分析与解释。YSI6600V2测量叶绿素a浓度和蓝藻密度，都是基于荧光的原理，其中叶绿素a浓度使用波长为470nm左右的蓝光作为激发光，蓝藻密度使用波长为600nm左右的橙黄光作为激发光。图4是多激发波长调制叶绿素荧光仪Muhi-Cobr-PAM原理说明中关于不同藻种在不同波长的激发光下产生的荧光强度的描述。通过图4不同藻种激发光与荧光的关系，对YSI6600V2的工作原理进行分析JSI6600V2使用470nm的蓝光作为激发光测定叶绿素a浓度，绿藻、隐