基于计算机视觉的蓝藻水力剪切效应研究

In the study of relationship between hydrodynamic conditions and algae growth, many contradictory conclusions are frequently reported due to rough qualitative analysis. We hypothesize that shear force can directly affect the algae through shear force influencing on the algae cell and cell cluster, and divided into three levels of shearing tolerance, which is extracellular polymeric substances, nascent adhesio between cells and cell membrane, respectly. Based on computer vision analysis, the research will establish the shearing-deformation models of extracellular polymeric substances and cells through microscopic observation of parallel plate flow chamber. Combined with the laboratory test, the effect of shear force on Cyanobacterium can be quantified. Furthermore, the research findings will be verified through enclosure experiments in a natural enclosed lake. The research will bring the theories of image processing and computer vision and ways of cell quantitative force analysis into the study of environmental fluid mechanics. It is anticipated that the research results will be of great scientific significance in order to further understand of quantificatic relationship between algae blooms and environmental flows and provide theory evidence on the control and management of water eutrophication.

在水动力与藻类生长关系的研究中，粗略的定性分析导致许多矛盾的实验结论频频发生。本项目在假设水力剪切对藻类的直接影响表现为水流对藻类细胞、细胞团的剪切作用的基础上，将蓝藻的剪切耐受性分为三个级别，即胞外聚合物剪切耐受性、细胞群中细胞间粘附位点剪切耐受性和细胞膜剪切耐受性。通过平行平板流动腔的显微观察，基于计算机视觉分析，构建蓝藻胞外聚合物、蓝藻细胞剪切-形变模型，结合实验室模拟试验，定量地分析蓝藻水力剪切效应，并通过人工控制水力剪切强度，在小景观水体中进行实证试验。本项目拟在环境流体力学领域引进了图像处理、分析与计算机视觉理论，细胞定量受力分析方法，将在探究藻类水华与水利学关系的研究上实现定量化的突破，完善和深化蓝藻生长和水体富营养化机制理论。

不同空间和时间尺度下的试验表明铜绿微囊藻的水力剪切响应机制正逐渐明晰，但粗略的定性分析导致许多矛盾的实验结论频频发生。本项目基于BSA镀膜的玻璃的细胞固着技术和计算机图像分析的剪切力响应表征参数研究，建立了基于计算机视觉的藻细胞动态生长观测方法，从细胞、细胞群和胞外聚合物等方面研究了水力剪切对藻类生长和生理的影响。主要研究成果包括：（1）模拟水力剪切条件对藻细胞生长的影响，证明了微观层面下水力剪切对藻细胞生长的干预机制和细胞尺度下临界剪切流速的存在；根据计算机视觉提取的细胞生长特征和细胞面积曲线波动情况，以波动截止点，提取单细胞生长曲线，同时结合单细胞的生长周期规律，构建了水力剪切作用下单细胞的生长曲线模型。（2）在多层次室内模拟试验的基础上，构建了水动力条件下浮游藻类生长的Logistic模型，研究发现水力剪切作用是藻类最大生物容量的控制因素，水力剪切主要通过改变藻细胞层流边界层以外环境的营养物质浓度分布，从而对藻类的种群规模产生影响。研究从理论上解释了水力剪切效应对藻动态增长的影响机制，实现了水力剪切作用和营养盐通量共同影响蓝藻种群增长关系的统一。（3）水力剪切对铜绿微囊藻EPS的影响的初步试验发现，胞内和胞外总多糖含量的高低对铜绿微囊藻的生长情况有重要的影响，当水力剪切强度过高时，胞内多糖和总糖含量开始降低，同时也可能是导致生物量和Chl-a浓度减少的原因，同时，高剪切强度下铜绿微囊藻单位细胞胞外多糖含量增多，胞外多糖层变厚，出现藻类群体，以此来应对高剪切强度的相对不利生长环境。通过显微成像分析，发现水力条件对胞外聚合物影响机制与藻细胞相似但又有别于藻细胞，在藻类生长的水动力系统中，水力剪切对铜绿微囊藻形成细胞团的直接影响表现为系统中藻细胞、胞外聚合物（bEPS和sEPS）及TEP的碰撞粘连作用。研究结果深化了水动力对藻类生长影响的机制，可为水文水动力过程对蓝藻的生长和分布的定量关系的研究提供科学基础。