草皮胁迫检测眼镜

双孢蘑菇属于呼吸跃变型，采后极易变软腐烂，通常采后常温下双孢蘑菇1～3 d就会出现失水、开伞或者褐变，冷藏可贮藏5～10 d，因此其货架期较短。此外，双孢蘑菇具有薄且多孔的表皮结构同时又缺乏保护组织，属于典型的机械损伤或瘀伤高敏感性作物。在流通过程中要经历长时间的振动胁迫，导致双孢蘑菇产生不同程度的机械损伤。严重的外部损伤可通过机器视觉技术等手段进行检测。沈阳农业大学信息与电气工程学院的姜凤利和食品学院的孙炳新*等以双孢蘑菇为研究对象，采集室温条件下不同振动胁迫时间的新鲜蘑菇高光谱信息，融合光谱和纹理特征，结合化学计量学方法，对双孢蘑菇的早期机械损伤进行快速预测和判别。1、双孢蘑菇色泽分析从表1可以看出，随着振动时间的延长，蘑菇菌盖的亮度L值逐渐下降，颜色值a、b愈加发黄、发红，体现出双孢蘑菇的颜色值随着振动时间的变化而变化。与蘑菇亮度L变化趋势相反，褐变度持续升高，这可能是因为振动处理加剧膜脂过氧化作用，细胞膜透性升高，导致细胞膜结构破坏，使酚类物质与褐变相关酶广泛接触并反应，从而加剧了褐变的发生。综上所述，说明振动胁迫会加速双孢蘑菇白度值下降和褐变。2、双孢蘑菇光谱特征图3为不同振动时间双孢蘑菇平均光谱曲线，可以看出，原光谱数据在400～450 nm和900～1 000 nm波段范围内存在较大噪声，为了保证后续模型的分类正确率，选择450～900 nm范围内的光谱数据进行后续研究。不同振动时间蘑菇平均反射率光谱曲线显著不同，振动120 s的平均光谱反射率最低，完好无损的最高，表明光谱反射率与L值有关，L值越大，蘑菇表面越明亮，光谱反射率越大，即随着褐变度的增加，双孢蘑菇反射率下降明显。进一步分析，光谱在450～750 nm波段不同损伤程度的双孢蘑菇反射率差异明显。3、光谱数据预处理为了提高光谱数据的信噪比，分别采用SNV、SG以及MSC对原光谱进行处理，原光谱曲线以及3种方法处理后光谱曲线（取3种样本各10个光谱数据）如图4所示。从表2可以看出，经过不同预处理方法后，分类模型的效果有很大差异，其中SG预处理后的建模效果最好，训练集和测试集分类正确率分别达到91.11%和84.44%，因此后续研究均采用SG平滑方法处理实验数据。4、特征提取特征波长提取采用SPA提取特征波长个数与RMSECV对应关系如图5a所示，可见选择的特征波长个数为5时，RMSECV值最小为0.191。最终提取出的5个特征波长依次为465、495、512、540、616 nm，如图5b所示。特征波长主要集中在500～650 nm之间，主要是由于该波段范围对应可见光谱的黄色及黄绿色，振动胁迫导致双孢蘑菇表面颜色逐渐变黄，因此随着褐变度增加光谱反射率呈下降趋势。从图6可以看出，CARS在第59次采样时，获得的变量子集建立的PLS模型RMSECV最小，因此，该子集定为关键变量子集，共包含8个变量。提取的特征波长依次为451、475、484、492、518、545、655、798 nm。与SPA相似，CARS提取的特征波长主要集中在500～650 nm附近范围内，除此之外，798 nm波段主要与蘑菇水分含量有关，由于蘑菇受振动胁迫时间较短，因此水分变化并不明显。纹理特征提取如图7所示，因此本研究采用500 nm波段下的灰度图作为特征图像进行感兴趣区域提取。从180个双孢蘑菇样本灰度图中提取240×240大小感兴趣区域图像作为纹理图像，根据纹理特征参数提取方法提取纹理特征值。5、损伤识别模型基于光谱特征的判别模型从表3可以看出，3种识别模型对完好无损、振动60 s、振动120 s的双孢蘑菇识别效果存在较大差异。从3种模型的检测结果看，在训练集和测试集中，SPA提取特征波长效果均优于CARS，可能是由于CARS特征提取算法选择的波长与双孢蘑菇振动损伤相关性较小，而SPA对于消除原始光谱中的冗余信息效果更为突出。此外，SPA-PLS-DA分类识别率最高，训练集和测试集的平均识别率分别为93.33%和91.11%，SPA-BP模型识别率次之，训练集和测试集平均识别率分别为91.11%和88.89%，可能是因为BP神经网络在训练时神经元反向传递学习过程中，易陷入局部最优解。ELM识别模型分类效果差于PLS-DA和BP，训练集和测试集平均识别率分别为82.96%和71.11%，原因可能是ELM模型权重和偏置在后续训练中不进行更新，使其陷入局部最小值，无法获得最优解。基于纹理特征的判别模型从表4可知，与光谱特征判别模型一致，基于纹理特征判别模型的准确率高低依次为PLS-DA、BP和ELM。PLS-DA识别模型在训练集和测试集中，完好无损双孢蘑菇识别正确率均在90%以上，振动60 s类型、振动120 s类型双孢蘑菇识别正确率均低于90%；BP判别模型的分类效果不理想，训练集和测试集中，3 类双孢蘑菇识别正确率均在90%以下，尤其是测试集中，振动60 s双孢蘑菇识别正确率为53.33%。ELM判别模型平均分类正确率最低，训练集和测试集中仅有振动120 s类型双孢蘑菇识别正确率在80%以上。以上建模结果表明单从外部纹理特征建模并不能准确表达蘑菇的内部信息，识别效果不理想。基于光谱-纹理特征融合的判别模型从表5可以看出，训练集的3种不同损伤程度的双孢蘑菇识别正确率均为97.78%，测试集的完好无损类型和振动120 s类型的双孢蘑菇识别正确率为100%，振动60 s类型识别正确率为86.67%，总体识别率为95.56%。从图8可以看出，测试集的振动60 s出现了识别错误的情况，振动60 s被识别成振动120 s和完好无损类型各1个，识别错误的原因可能是振动60 s类型的部分样本与之相邻两类样本的纹理特征差异较小，且光谱特征区分不够明显，导致测试集发生误判的情况。结 论分析并比较SG、MSC和SNV作为高光谱数据预处理方法的建模效果，确定SG为预处理最佳方法。将处理后的数据采用SPA、CARS方法提取特征波长。基于特征波长下的光谱数据以及全波段光谱数据建立PLS-DA、BP神经网络以及ELM分类模型，最终确定SPA-PLS-DA模型分类效果最好，训练集和测试集总体识别率分别为93.33%、91.11%。利用灰度共生矩阵提取500 nm波段下双孢蘑菇纹理特征参数16个，基于特征值建立双孢蘑菇图像信息的PLS-DA、BP神经网络以及ELM分类模型，通过分析实验结果，确定PLS-DA为最佳分类模型，其中训练集和测试集总体识别率分别为88.89%、86.67%。相比光谱建模效果稍差。融合光谱特征和图像特征，建立PLS-DA双孢蘑菇分类模型，训练集和测试集总体识别率分别为97.78%和95.56%。预测效果优于单一信息建立的判别模型。结果表明，采用光谱-图像融合信息建模可以提高双孢蘑菇损伤程度检测精度。

第一作者：陈苗通讯作者：金小伟、徐建通讯单位：中国环境监测总站、中国环境科学研究院图片摘要成果简介近日，中国环境监测总站金小伟教授级高工团队与中国环境科学研究院徐建研究员团队合作在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Micropollutants but high risks: Human multiple stressors increase risks of freshwater ecosystems at the megacity-scale”的研究论文。该文研究了大型城市（北京市）淡水生态系统中包含农药、PPCPs、非法药物和工业化学品在内的133种微污染物对不同营养级水生生物的生态风险，考查了不同空间尺度土地利用对生态风险的影响，并利用结构方程模型（SEM）分析了多重胁迫对微污染物生态风险的效应，定量了人类活动和气候条件对微污染物风险效应的相对权重。该结果说明淡水生态系统中微污染物的生态风险不可忽略，气候、土地利用、水文条件等因素均会影响微污染物的生态风险，在进行水域管理时必须综合考虑多重胁迫因素。引言人类世以来，淡水生态系统越来越多的受到人类活动的直接或间接影响。气候变化、水文调节、土地利用和化学污染物是威胁河流生态系统结构和功能的主要因素。同时，随着土地利用和城市化的加剧，许多淡水生态系统正面临着生物多样性丧失和功能改变。除土地利用外，水环境中的有机微污染物也因其普遍分布和潜在的生态风险而引起广泛关注，长期接触微污染物会对水生生物和人类健康构成重大风险。在流域尺度的自然环境中，多种复杂的胁迫因素相互作用，对淡水生态系统造成破坏，很难确定其主要驱动因素。已知有机污染物与城市、耕地等人类土地利用有关，然而，以前的研究侧重于定性探索，缺乏对土地利用与多种微污染物暴露模式或生态风险之间的定量研究。以往对流域微污染物的研究主要集中在环境暴露、毒性和潜在生态风险。部分研究侧重于单一类别微污染物或某类污染物与土地利用之间的定性关系，而忽略了土地利用的多尺度影响。先前的研究没有确定土地利用和气候条件对多类型微污染物风险效应的相对权重。本研究主要关注大型城市淡水系统中微污染物的分布模式、生态风险及其受气候和人类活动的影响效应，特别是土地利用的多尺度效应及多重胁迫的影响，以期为流域尺度水域治理和管控提供有效的保护策略。图文导读微污染物的分布特征图1 北京市地表水中13类微污染物的浓度（a，*:P0.05）及在不同区域的分布（b，d.枯水期；c，e.平水期），不同字母表示显著差异（P0.05）微污染物的浓度总体表现为新烟碱农药（NEOs）有机磷酸酯（OPEs）抗病毒药（ANVIs），枯水期平均浓度分别为483、225和150 ngL−1。不同行政区域和河流中微污染物的分布和相对组成不同。南部区域的浓度明显高于北部区域，这与人类活动和污水处理厂分布显著相关。微污染物的生态风险图2 不同类别微污染物对不同营养级水生生物造成风险的比例（a.枯水期，b.平水期）。根据平均浓度（c）和最大浓度（d）确定的优控污染物（TUs1）在平水期，96.7%、100%和100%区域的藻类、无脊椎动物和鱼类受微污染物的慢性影响，这一比例高于枯水期（分别为41.7%、98.3%和100%）。在平水期，8.3%、33.3%和1.7%区域的藻类、无脊椎动物和鱼类处于高风险，而枯水期的比例分别为11.7%、3.3%和0%。有机磷农药（OPPs，杀虫剂）、三嗪类农药（TPs，除草剂）和OPEs占鱼类、藻类和无脊椎动物风险的最大比例，在枯水期分别占47.9%、46.6%和 56.5%。与平水期相比，不同的是拟除虫菊酯对鱼类风险的占比最大（图2a-2b）。这些结果表明，微污染物是威胁水生生物和生态系统的重要因素。根据微污染物的平均浓度，对其生态风险进行排序（图2c-2d）。18种微污染物被确定为优控污染物，其中高风险和中风险分别有7种和11种。TU分别为445.9、300和182.4的λ-氯氟氰菊酯、六嗪酮和磷酸三（2-乙基己基）酯（TEHP）的风险最大，验证了农药和OPEs的潜在风险。此外，敌敌畏、吡虫啉、毒死蜱和三（1-氯-2-丙基）磷酸酯（TCPP）表现出较高的环境风险。该优控清单有助于管理和控制北京市甚至其他类似大型城市地表水中的微污染物。不同空间尺度土地利用对生态风险的影响图3 枯水期（a、b和c）和平水期（d、e和f）河岸带不同尺度（0.1~15km）内耕地、不透水表面和植被地与藻类、无脊椎动物和鱼类生态风险的关系研究了不同空间尺度土地利用对不同营养级水生生物慢性风险的影响（图3）。当河岸带缓冲区分别超过5 km和2 km时，耕地对无脊椎动物和藻类的慢性风险有显著影响（p0.05），相关系数（R）呈现先增加后减少，然后再增加的趋势（图3a）。在所有空间尺度（0.1~15 km）的缓冲区中，不透水表面对藻类、无脊椎动物和鱼类的慢性风险显示出显著影响（p0.05）（图3b和3c），平水期影响最大的是缓冲区范围分别为1 km、2 km和5 km（图3e）。对于植被地，所有尺度缓冲区的土地利用（宽度为0.1 km的缓冲区除外）对慢性风险表现出显著的负效应（p0.05），并且最大的相关系数位于不同的空间尺度上（图3c和3f）。河岸带缓冲区中大于2 km的土地利用类型对三类水生生物的慢性风险有显著影响，表明太宽泛的河岸带缓冲区范围并不能解释当地的污染状况。在规划土地利用策略时，必须考虑最佳河岸带缓冲区，这有利于以较低成本获得理想的生态效益。图4 结构方程模型显示的气候条件和人类土地利用对藻类、无脊椎动物和鱼类慢性风险的直接和间接效应（a）及相应的直接效应、间接效应和总效应系数（b）利用SEM确定了人类土地利用和气候条件对三种不同营养级水生生物生态风险的直接和间接效应（图4，χ2=14.784，df=17，CFI=1，RMSEA=0.000）。人类土地利用对水质参数（WQPs）和新污染物浓度有显著的正效应，尤其是对NH3-N（标准化路径系数β = 0.40, P0.05）、OPEs（β = 0.91, P0.001）、OPPs（β = 0.69, P0.05）和大环内酯类抗生素（MACs）（β = 0.87, P0.01）。此外，气候条件对WQPs和新污染物的浓度有轻微的直接效应，气温和降雨量分别与三类生物的慢性风险呈正相关和负相关关系。OPPs受到人类土地利用的正效应（β=0.69，P0.05），在无脊椎动物的慢性风险中起着主要作用（β=0.75，P0.001）。同样，OPEs受到人类土地利用的正效应（β=0.91，P0.0001），并且人类土地使用对藻类的慢性风险有很高的效应值（β=0.027，P0.05），总磷和NH3-N两种营养物质分别对无脊椎动物的慢性风险有显著的负效应和正效应，其标准化路径系数分别为-0.40（P0.001）和0.26（P0.05）。人类土地利用对新污染物构成的风险具有正的总效应，而降水具有负的总效应（图4b）。且人类土地利用的总效应大于气候条件的总效应，表明人类土地利用对新污染物造成生态风险的贡献更大。经济的显著增长和城市化率的不断提高，改变了大型城市的空间结构及微污染物对淡水生态系统的影响。结果表明，反映人为压力源的土地利用可以作为解释不同营养级物种慢性风险的重要驱动因素。小结对大型城市淡水生态系统中133种微污染物进行了分析和风险评估，发现除草剂、OPEs和杀虫剂分别对藻类、无脊椎动物和鱼类的风险最大。确定了18种优控污染物，该清单可能有助于大型城市的微污染物管理和控制。不同空间尺度土地利用对不同营养级水生生物的慢性风险效应不同，其结果对规划土地利用管理和流域生态保护具有重要意义。多重胁迫因素，包括气候条件、污染排放，尤其是人类土地利用，影响着微污染物的生态风险。在控制流域内的微污染物时，有必要同时考虑这些多重因素。然而，气候变化是一个复杂而长期的影响，它与污染物之间的相互作用可能在短期内不明显。未来的研究可以更多地关注微污染物与长期气候变化之间的相互作用。淡水生态系统中多重压力源的相互作用仍然存在很大的不确定性，在以后的研究中应该重视这些相互作用的机制研究。本项目得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划的资助。

干货分享：酶标仪在植物对逆境胁迫应答中应用植物生长在开放的自然环境下，不可避免的被迫遭受和应对各种各样恶劣的生存环境，如干旱、盐害、低温、高温和病虫害等，这些不良环境统称为植物逆境或植物胁迫。随着全球环境的日益恶化，各种逆境胁迫因子对植物正常生长和发育的影响日趋严重，也是造成粮食作物和其它经济作物产量和品质下降的主要原因，成为制约现代农业发展的重要因素。植物为了适应各种胁迫环境，经过漫长的进化过程，产生了一系列对抗环境变化的能力，即抗性。植物抗性是绝大多数植物响应环境胁迫的普遍方式，植物抗性可以帮助植物提高对逆境的适应能力，但它是有一定限度的，如果逆境变化过强超出了植物的耐受范围，逆境胁迫会导致植物直接进入衰老和死亡。因此，植物对逆境胁迫的反应一直是植物科学领域的研究前沿。图1：植物与病原互作中的免疫反应人们已经发展出很多检测手段来探索和揭示植物免疫机制和植物抗逆机制，包括高通量测序技术、显微成像技术、色谱-质谱联用技术等，其中酶标仪检测技术作为一种高通量微孔板检测技术，且操作简便的方法，在生物医学、药物研发、农业和微生物学等领域得到了广泛应用。MolecularDevice公司的酶标仪产品可为植物抗逆领域的科学研究提供可行和简便的实验方案。针对钙信号检测，ROS信号检测，定量检测及动态曲线检测，MD都有相对应的完善的解决方案。Flexstation3可以用来检测钙信号，标配5大检测功能并内置自动移液系统，Flex快速动态监测模式，时间间隔最低达到毫秒级，轻松追踪从诱发到衰减完整的钙信号。使用SoftMaxPro软件的PeakPro分析功能，可对钙瞬变和钙振荡的信号进行峰频率、峰宽度、峰数目、峰上升时间及衰减时间等多个峰值属性进行分析。针对ROS信号检测，我们推荐多功能检测酶标仪，如SpectaMaxi3x和SpectaMaxiD系列，这几款仪器都可以配置自动双注射器，既能进行比色法和荧光强度测定，又能进行快速发光反应检测。针对定量检测，SoftMaxPro软件内置21种曲线拟合方式，可用于多种酶活分析和荧光定量分析。针对动态曲线检测，SoftMaxPro软件预置多种动力学参数，可一键输出最大速率、斜率、最大/最小时间和曲线下面积等分析。