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  微藻作為一類重要的生物資源,，不僅在水質凈化,、生物能源生產、食品和藥品開發(fā)等方面具有廣泛應用前景,，還在環(huán)境監(jiān)測,、生態(tài)修復等領域發(fā)揮著重要作用。近年來,，高光譜成像技術作為一種先進的非接觸式監(jiān)測手段,，逐漸在微藻培養(yǎng)與監(jiān)測中展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢和潛力。

  Fluortron多功能高光譜成像系統(tǒng)整合國際先進技術資源,，以其高光譜分辨率和圖像處理能力,，在微藻的生理狀態(tài)、生物量,、種類識別等方面展現(xiàn)出強大的應用潛力,。通過捕捉微藻在不同光譜波段的反射或熒光特性,，可以實現(xiàn)對微藻生長狀態(tài)的高精度監(jiān)測和快速分析。相較于傳統(tǒng)方法,，F(xiàn)luortron多功能高光譜成像技術具有多功能,、非接觸、無損傷,、實時性強,、信息量豐富等顯著優(yōu)勢，為微藻培養(yǎng)與監(jiān)測提供了一種全新的解決方案,。

圖1：FluorTron®多功能高光譜成像分析系統(tǒng)（左）,、施加不同濃度草甘膦的小球藻液RGB圖片（中）以及靜置16h后不同處理藻液在藍光激發(fā)下的光譜曲線

圖2：施加脅迫靜置16h后不同處理藻液在紫光激發(fā)下的光譜曲線（左）、藍光激發(fā)的熒光指數(shù)F685及F685/F740,。通過藍色/紫色激光激發(fā)后的小球藻光譜曲線可以看出,，不同濃度草甘膦脅迫下的藻液曲線有明顯差異；根據(jù)熒光指數(shù)參數(shù)也可以看出0.5%GLY處理的F685與F685/F740最低,，說明該組的光合作用效率最低,，小球藻抑制效果最好。

案例一：使用高光譜成像儀對微藻培養(yǎng)進行非侵入性監(jiān)測

  微藻作為生物燃料,、食品添加劑及藥物原料的重要來源，其高效培養(yǎng)與精確監(jiān)測對于提高產量與質量至關重要,。然而,，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法往往存在耗時、破壞樣本等局限,。本研究采用高光譜成像儀,，結合線性回歸模型與一維卷積神經網絡（1D CNN），對實驗室條件下的微藻培養(yǎng)進行了非侵入性監(jiān)測,。通過捕獲微藻在不同生長階段的光譜圖像,，實現(xiàn)了對生物量濃度的準確預測與物種分類。

圖3：實驗室規(guī)模實驗中三個綠藻品種不同時間的最值歸一化光譜曲線,，垂直線標記最佳指標的位置（左）,；生物量濃度估計值與最佳指標之間的線性回歸模型（右）

圖4：工業(yè)規(guī)模試驗中螺旋藻（Arthrospira platensis）的水槽高光譜數(shù)據(jù)采集（左），以及使用最佳確定指數(shù)（616/587 nm）計算出的指數(shù)可視化圖（右）,，與生物量分布相關

  實驗室研究研究表明,，高光譜成像技術能夠在不破壞樣本的情況下，快速獲取大量光譜數(shù)據(jù),。線性回歸模型與1D CNN均表現(xiàn)出良好的預測性能,，其中1D CNN不僅預測了生物量濃度，還可以實現(xiàn)對三種綠色微藻的高精度分類,。工業(yè)規(guī)模的初步測試也表明,，該技術同樣適用于實際生產中的微藻培養(yǎng)監(jiān)測,。

案例二：水華藍藻的精準區(qū)分

  水華藍藻的爆發(fā)不僅影響水質，還可能產生有毒物質,，對人類健康及水生生態(tài)系統(tǒng)構成威脅,。因此，實現(xiàn)對水華藍藻的精準區(qū)分與有毒物種的快速識別具有重要意義,。本研究利用實驗室條件下的高光譜圖像,，結合機器學習算法，對形成水華的藍藻進行了分類與識別,。

圖5：(a)高光譜成像圖,、(b)含有藍藻生物質的ROI提取、(c)ROI中所有像素的平均VIS/NIR反射光譜（左）,；五種藍藻的VIS/NIR光譜反射率平均值,，a)僅平均光譜、b)包括標準偏差的平均光譜（右）

圖6：分類模型在訓練,、驗證和測試集上的表現(xiàn)

  實驗研究表明,，高光譜圖像能夠捕捉到藍藻光譜特性的細微差異，為機器學習模型提供了豐富的特征信息,。利用機器學習算法在水華藍藻的分類與毒性識別中展現(xiàn)出極高的準確性,，為水華預警與治理提供了科學依據(jù)。

未來與展望

  多功能高光譜成像技術與機器學習的結合,，為微藻培養(yǎng)與水華藍藻監(jiān)測帶來了革命性的變化,。這一技術不僅能夠實現(xiàn)非侵入性、高精度的生物量監(jiān)測與物種分類,，還能有效識別有毒藍藻物種,，為環(huán)境保護與生物技術的發(fā)展提供了強有力的支持。未來,，隨著技術的不斷成熟與應用場景的拓展,，都功能高光譜成像技術將在更多領域展現(xiàn)出其巨大的潛力和價值。

更多藻類培養(yǎng)與監(jiān)測系統(tǒng)

  易科泰公司長期致力于農業(yè)-生態(tài)-健康領域,，整合國際先進技術資源,，為藻類生物質能源及高通量表型研究領域提供全面解決方案，包括藻類培養(yǎng),、藻類葉綠素熒光與光合作用測量,、藻類葉綠素熒光成像分析、藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測及高通量藻類表型分析等,。

圖6：上圖依次為AlgaTech^®高通量表型分析平臺,、Specim IQ高光譜相機

圖7：上圖依次為AquaPen手持式葉綠素熒光儀、MC1000 8通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)、FMT150藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)

參考文獻：[1] Fournier, Claudia, et al. "Discriminating bloom-forming cyanobacteria using lab-based hyperspectral imagery and machine learning: Validation with toxic species under environmental ranges." Science of the Total Environment 932 (2024): 172741.

[2] Pääkkönen, Salli, et al. "Non-invasive monitoring of microalgae cultivations using hyperspectral imager." Journal of Applied Phycology (2024): 1-13.