《基於計算機視覺的藍藻水力剪下效應研究》是依託同濟大學，由李飛鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於計算機視覺的藍藻水力剪下效應研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李飛鵬
- 依託單位：同濟大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在水動力與藻類生長關係的研究中，粗略的定性分析導致許多矛盾的實驗結論頻頻發生。本項目在假設水力剪下對藻類的直接影響表現為水流對藻類細胞、細胞團的剪下作用的基礎上，將藍藻的剪下耐受性分為三個級別，即胞外聚合物剪下耐受性、細胞群中細胞間粘附位點剪下耐受性和細胞膜剪下耐受性。通過平行平板流動腔的顯微觀察，基於計算機視覺分析，構建藍藻胞外聚合物、藍藻細胞剪下-形變模型，結合實驗室模擬試驗，定量地分析藍藻水力剪下效應，並通過人工控制水力剪下強度，在小景觀水體中進行實證試驗。本項目擬在環境流體力學領域引進了圖像處理、分析與計算機視覺理論，細胞定量受力分析方法，將在探究藻類水華與水利學關係的研究上實現定量化的突破，完善和深化藍藻生長和水體富營養化機制理論。
結題摘要
不同空間和時間尺度下的試驗表明銅綠微囊藻的水力剪下回響機制正逐漸明晰，但粗略的定性分析導致許多矛盾的實驗結論頻頻發生。本項目基於BSA鍍膜的玻璃的細胞固著技術和計算機圖像分析的剪下力回響表征參數研究，建立了基於計算機視覺的藻細胞動態生長觀測方法，從細胞、細胞群和胞外聚合物等方面研究了水力剪下對藻類生長和生理的影響。主要研究成果包括：（1）模擬水力剪下條件對藻細胞生長的影響，證明了微觀層面下水力剪下對藻細胞生長的干預機制和細胞尺度下臨界剪下流速的存在；根據計算機視覺提取的細胞生長特徵和細胞面積曲線波動情況，以波動截止點，提取單細胞生長曲線，同時結合單細胞的生長周期規律，構建了水力剪下作用下單細胞的生長曲線模型。（2）在多層次室內模擬試驗的基礎上，構建了水動力條件下浮游藻類生長的Logistic模型，研究發現水力剪下作用是藻類最大生物容量的控制因素，水力剪下主要通過改變藻細胞層流邊界層以外環境的營養物質濃度分布，從而對藻類的種群規模產生影響。研究從理論上解釋了水力剪下效應對藻動態增長的影響機制，實現了水力剪下作用和營養鹽通量共同影響藍藻種群增長關係的統一。（3）水力剪下對銅綠微囊藻EPS的影響的初步試驗發現，胞內和胞外總多糖含量的高低對銅綠微囊藻的生長情況有重要的影響，當水力剪下強度過高時，胞內多糖和總糖含量開始降低，同時也可能是導致生物量和Chl-a濃度減少的原因，同時，高剪下強度下銅綠微囊藻單位細胞胞外多糖含量增多，胞外多糖層變厚，出現藻類群體，以此來應對高剪下強度的相對不利生長環境。通過顯微成像分析，發現水力條件對胞外聚合物影響機制與藻細胞相似但又有別於藻細胞，在藻類生長的水動力系統中，水力剪下對銅綠微囊藻形成細胞團的直接影響表現為系統中藻細胞、胞外聚合物（bEPS和sEPS）及TEP的碰撞粘連作用。研究結果深化了水動力對藻類生長影響的機制，可為水文水動力過程對藍藻的生長和分布的定量關係的研究提供科學基礎。
