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应用海洋高光谱成像;从光谱角度看珊瑚白化

2019年3月6日文章
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应用海洋高光谱成像:从光谱角度看珊瑚白化

乔纳森•爱尔兰人一个＊杰克Willans,b迈克尔·j·艾伦，c托马斯·b·斯科特一个约翰·c·c·戴一个

一个界面分析中心(IAC)， HH Wills物理实验室，英国布里斯托尔bs81tl。电子邮件:(电子邮件保护)
b海洋生物伦敦水族馆，郡厅，威斯敏斯特桥路，兰贝斯，伦敦se17pb，英国
c普利茅斯海洋实验室(PML)， Prospect Place, The Hoe，普利茅斯pl13dh，英国

随着气候变化和其他压力因素影响我们的海洋，珊瑚礁退化已成为气候变化问题的前沿。珊瑚礁对其提供的生态系统产品和服务至关重要。对于生活在热带和亚热带沿海国家(距离珊瑚30公里以内)的2.75亿人来说，这些系统的健康是一个重大问题，这些人的生计和粮食安全在很大程度上依赖于珊瑚。1、2珊瑚礁可能非常有价值，比如克鲁兹-特立尼达et al。3.在菲律宾的一个小珊瑚礁(10 × 20公里)估计价值为3800万美元/年。这个财政估价的例子只是触及了任何珊瑚礁作为发展中国家不可替代的食物和天然海洋防御来源的真正价值的表面。4

珊瑚非常容易受到疾病和气候变化的影响，因为它们对变化的水温、盐度和增加的太阳照射等压力的耐受性较低。珊瑚病是珊瑚礁退化和珊瑚死亡的最大原因之一。自20世纪70年代首次观察到以来，其发病率在世界范围内一直在增加，特别是在加勒比、红海和印度洋，部分原因与水质下降、鱼类资源减少、热应激以及最近由人为活动引起的海洋酸化有关。5 - 7据报道，珊瑚病发病率在三年内从20%增加到80%，7对这一宝贵的自然资产进行更密切的监测和保护至关重要。

珊瑚白化的原因被广泛认为是对外部因素或触发因素(压力源)的一般反应，例如水温升高，通常伴随着太阳照射增加，海洋酸化或细菌感染。8随着这些压力源变得越来越多，大规模白化事件变得越来越频繁，第一次是在1984年由格林描述的，从那以后，1998年、2010年和2015/2016年又发生了三次全球白化事件。9休斯调查的最近一次大规模白化事件(2015年至2016年)影响了全球75%的分布地点et al。10因此，在规模上可以与1997-1998年前所未有的事件相媲美，当时相同的100个地点中有74%经历了白化。由于全球气候驱动的白化事件与厄尔Niño-Southern涛动(ENSO)相吻合，在厄尔Niña条件下，今天热带海面的平均温度比30年前厄尔Niño事件时要高。11这意味着预测的气候变化和海洋变暖情景将预示着珊瑚礁极端加热事件的频率增加。

主要负责建造现代珊瑚礁的珊瑚是雌雄同体珊瑚，属于石珊瑚或石珊瑚。两性珊瑚含有光合藻类，特别是称为虫黄藻的鞭毛藻，属于该属Symbiodinium它们在细胞内共生。这种关系是互惠互利的，藻类为珊瑚提供光合作用的能量，作为交换，藻类获得进行光合作用所需的保护和营养(图1)。非hermattypic珊瑚不具备这种共生关系，而是通过其他方式生存。12

图1所示。两性珊瑚与共生菌的共生关系。

雌雄同体珊瑚群落表现出珊瑚本身及其共生伙伴的天然荧光。这一点的意义尚不清楚，已经进行了几项研究，试图从中获得意义，并提出了荧光蛋白(FPs)发挥作用的许多可能性:包括(i)通过提供调节光环境的光生物系统来充当防晒霜;13(ii)作为宿主的应激反应，通过它们作为抗氧化剂的作用;或(iii)吸引猎物。14所有已知的是FPs的下调经常发生在受伤或受损的珊瑚组织中。15

FPs的存在及其作为应激反应的行为可能被用作衡量珊瑚健康的一种方法。对某一物种荧光强度的自然变异性以及患病标本和健康标本之间的差异进行分析，可以建立一种将荧光与疾病联系起来的指数。16

概念验证和高光谱成像

为了描述这种自然荧光的微妙之处，珊瑚水族馆的珊瑚样本由珊瑚水族馆管理员Jack Willans提供，使用推扫帚式高光谱相机(Headwall Nano，美国)进行成像。

这种高光谱相机在每个像素中捕获整个可见(vis)光谱和一些近红外(NIR) (400-1000 nm)的光，但根据波长分离入射光子(光)通量，在光源照射时将入射光强度分离为大量(数百)个光谱带[珊瑚的荧光需要紫外线(UV)或蓝光(400-480 nm)]。这样就可以确定珊瑚荧光的特征激发/发射峰。图像中处理过的每个像素都包含与该像素相关的完整光谱数据，从而可以确定任何观察到的荧光的峰值波长。在相机内处理数据，生成一个超立方体，然后可以在ENVI(版本5.3.1)(后期处理软件)中查看。从每个珊瑚样本的不同点提取光谱以确定其发射光谱。

如图2所示，从超立方体图像中提取的珊瑚所记录的光谱表明，珊瑚样本大多在青色或绿色波长(485-512 nm)发出荧光。样本被选择来代表几种不同类型的珊瑚(分枝珊瑚、板状珊瑚、软珊瑚)，包括以显示荧光而闻名的珊瑚和那些没有荧光的珊瑚。

图2。从感兴趣的区域生成的超数据生成的光谱组合图，突出显示所有可见的荧光。紫外线激发和珊瑚和虫黄藻荧光区域突出显示。

观察到的主要荧光峰被用来将珊瑚物种与发出的颜色联系起来。呈现“青色”的珊瑚(按照Alieva的分类)et al。）17荧光强度范围为459 ~ 516 nm，但荧光强度峰值主要在480 nm左右。有些珊瑚不发出任何荧光，如C5、C7、C12、C13、C20和C22。这些是用来与珊瑚的主动荧光光谱进行比较的。一些珊瑚样品显示出其他较弱的发射峰，显示双色荧光的存在，例如C2，其显示出445 nm(青色)的主峰和510 nm(绿色)的弱峰。许多珊瑚显示出宽的发射峰，表明它们的荧光发射出多种颜色。许多光谱显示了另一个峰值(在643nm之后)，这是珊瑚的共生伙伴虫黄藻的荧光。

漂白实验

在获得了高光谱成像有可能观察和量化珊瑚荧光的证据后，我们考虑将这种技术应用于检测漂白。珊瑚白化是指虫黄藻与宿主珊瑚发生生态失调(共生关系破裂)的过程。这种生态失调的过程通常是虫黄藻细胞从它们通常储存的珊瑚细胞内排出。根据压力源的不同，珊瑚白化的速度也不同，但在单个珊瑚群中，白化通常是一个快速的过程(可能是几个小时的事)，并可能导致珊瑚细胞死亡或坏死，作为一种将其曾经的伴侣引渡出去的手段。

为了观察和记录珊瑚白化现象，我们设计了一个实验室实验，将珊瑚样本(Montipora digitata)，放置在一个装有人工海水的实验水箱中，初始温度约为24°C。然后，温度以每周+2°C的速度递增，持续四周，直到温度达到bb30°C(这是温度导致漂白的点)。在整个实验过程中，使用高光谱相机系统定期对珊瑚样本进行成像。目的是通过监测荧光信号来记录虫黄藻被驱逐后的漂白效果，荧光信号随虫黄藻被驱逐而减弱。珊瑚的整体健康状况也会因白化效应而退化，这也可以用同样的技术来监测，但观察的是与虫黄藻中叶绿素细胞相反的FPs的荧光峰值。从Headwall纳米相机收集到的高光谱数据可以编译成一个超立方体，并加载到ENVI中。

用于漂白实验的珊瑚样本在三种光照条件下成像;在白光(水族灯条)、蓝光(水族灯条440 nm)和紫外光(BlueRobotics UV灯舱405 nm)下。在白光照射下，珊瑚的颜色随着白化的进展而减弱，这提供了一个基线，类似于传统的珊瑚健康调查，观察光的反射率。珊瑚颜色的流失是一个可以用眼睛定性观察到的过程，但使用高光谱方法我们可以量化这种损失。蓝光照明激发出最高强度的青色和绿色荧光，但掩盖了激发峰尾部的一些珊瑚荧光信号。紫外光提供了一个比蓝光更清晰的发射峰，使整个未被掩盖的荧光峰被看到。通过实验，我们可以从可量化的光谱数据角度观察漂白过程，如图3所示。

图3。光谱观察“漂白效应”，随着温度的升高，观察到宿主组织和虫黄藻的荧光都减少。

结论及未来工作

这项研究能够检测到许多不同种类的珊瑚的荧光，识别光谱的复杂性，并从光谱的角度观察珊瑚的白化。这项初步研究的结果提供了令人信服的证据，证明荧光可以用来指示珊瑚礁的健康状况。下一阶段是开发一种足够便宜和半自动化的现场部署系统，以便可以自动和快速地重复评估珊瑚礁系统。

现场可部署系统将采用便携式全防水低成本高光谱成像系统(有效载荷)的形式，可以安装在ROV(远程操作车辆)(BlueROV2, BlueRobotics)上，这将作为一个稳定的图像获取平台，类似于无人机(UAV)系统在农业应用中的提供。

该系统要求“低成本”(低于1万英镑)，以降低商用高光谱系统的高相关成本，并降低在水下环境中运行的资本风险。为了做到这一点，单色相机(AtikHorizon, Horizon)利用连续可变滤波器，使用定制的3D打印支架直接安装在16万像素的CMOS传感器上。滤光片(来自Delta Optical Thin Films的LV - VIS - NIR带通滤光片)在光谱特性和位置之间具有连续关系。滤光片的中心波长范围在450纳米到850纳米之间。使用连续可变滤光片可以使标准相机以极低的成本改装成“推扫帚”高光谱相机。

然后，该系统将部署在一个活的珊瑚礁上进行采集原位光谱数据，以便基于诱导荧光评估珊瑚健康(图4)。数据收集方式将类似于现有的无人机(UAV)技术，采用栅格模式飞行路径，以便完全覆盖整个珊瑚礁，图像之间有足够的重叠，以实现可靠的拼接和制作大面积地图，并对珊瑚礁地形进行摄影测量重建，以产生珊瑚礁的三维模型。这将有助于建立快速的珊瑚健康评估和一个已知珊瑚物种荧光发射光谱库，以及在白化的各个阶段的荧光特征。

图4。高光谱荧光成像(HyFI)有效载荷，安装在BlueROV2上。在珊瑚礁上方1米处成像，将提供无影响的快速健康评估。相机安装在定制的防水外壳中，带有90°镜面镜头，可以垂直拍摄珊瑚礁。

参考文献

  1. J.B. Lamb, B.L. Willis, E.A. Fiorenza, C.S. Couch, R. Howard, D.N. Rader, J.D. True, L.A. Kelly, A. Ahmad, J. Jompa和C.D. Harvell，《塑料垃圾与珊瑚礁疾病的关系》科学359(6374)， 460-462(2018)。https://doi.org/10.1126/science.aar3320
  2. F. Moberg和C. Folke，“珊瑚礁生态系统的生态产品和服务”，生态。经济学。29(2)， 215-233(1999)。https://doi.org/10.1016/s0921 - 8009 (99) 00009 - 9
  3. A.Cruz-Trinidad, R.C. Geronimo, R.B. Cabral和阿里诺:“博利纳-安达珊瑚礁值多少钱?””,海洋海岸。管理。54(9)， 696-705(2011)。https://doi.org/10.1016/j.ocecoaman.2011.07.002
  4. C.M.伍德利，C.A.唐斯，A.W.布鲁克纳，J.W.波特和S.B.加洛韦，珊瑚病．John Wiley & Sons(2015)。https://doi.org/10.1002/978半岛app应用下载1118828502
  5. J.M.维诺和G.W.史密斯，《危险中的珊瑚》，海洋领域33-34(1997)。
  6. L. Bongiorni和B. Rinkevich，“在疣eurystoma(埃拉特红海):可能是压力的标志?”,动物学[j] .中国科学院学报(自然科学版)，2005。https://doi.org/10.1016/j.zool.2005.05.002
  7. J. Ravindran和C. Raghukumar，“粉红色线综合症，硬核珊瑚的生理危机。Porites lutea”,海洋生物。49(2)， 347-356(2006)。https://doi.org/10.1007/s00227-005-0192-1
  8. P.W. Glynn，“珊瑚礁白化:生态学观点”，珊瑚礁12(1)， 1 - 17(1993)。https://doi.org/10.1007/BF00303779
  9. 昆士兰科技大学，昆士兰监测珊瑚白化的快速反应工具(2017)。https://www.qut.edu.au/news?news-id=122198[2018年6月12日获取]
  10. T.P. Hughes, K.D. Anderson, S.R. Connolly, S.F. Heron, J.T. Kerry, J.M. Lough, A.H. Baird, j.k Baum, M.L. Berumen, T.C. Bridge和D.C. Claar，“人类世大规模珊瑚白化的时空格局”，科学359(6371)， 80-83(2018)。https://doi.org/10.1126/science.aan8048
  11. T.P. Hughes, J.T. Kerry, M. Álvarez-Noriega, J.G. Álvarez-Romero, K.D. Anderson, A.H. Baird, R.C. Babcock, M. berger, D.R. Bellwood, R. Berkelmans和T.C. Bridge，“全球变暖与周期性珊瑚白化”，自然543(7645)， 373-377(2017)。https://doi.org/10.1038/nature21707
  12. P.L.奥斯本热带生态系统和生态概念。剑桥大学出版社，2nd版(2012年)。https://doi.org/10.1017/CBO9781139057868
  13. Salih, A. Larkum, G. Cox, M. k hl和O. Hoegh-Guldberg，“珊瑚中的荧光色素具有光保护作用”，自然408(6814)， 850-853(2000)。https://doi.org/10.1038/35048564
  14. S.H. Haddock和C.W. Dunn，“荧光蛋白作为猎物引诱剂的功能:来自水水母的实验证据。Olindias formosus以及其他海洋生物”，生物学开放bio - 012138(2015)。https://doi.org/10.1242/bio.012138
  15. C.V. Palmer, C.K. Modi和L.D. Mydlarz，“珊瑚荧光蛋白作为抗氧化剂”，《公共科学图书馆•综合》4(10)， 7298(2009)。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0007298
  16. C.A.凯洛格和D.G.扎瓦达，应用新方法诊断珊瑚疾病．美国地质调查局，No. 2009-3113(2009)。
  17. 15.N.O. Alieva, K.A. Konzen, S.F. Field, E.A. Meleshkevitch和M.E. Hunt，“珊瑚荧光蛋白的多样性和进化”，《公共科学图书馆•综合》3(7)， 2680(2008)。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002680
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