光照设置对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）的影响及随机森林模型的分类研究

研究人员为探究光照对铜绿微囊藻分布影响，开展实验，发现光照显著影响其分布，有助于水生态管理。

　　在美丽的湖泊与水库中，蓝藻却悄然成为了威胁水生态的 “隐藏杀手”。有害藻类大量繁殖形成的蓝藻水华（HABs），不仅会堵塞航道，还会释放毒素危害畜牧业，甚至威胁人类饮用水安全，极大地增加了水质处理成本。就算没有形成明显的水华，蓝藻也会影响水体美观，释放毒素和异味，降低水质。所以，在水华爆发前持续监测蓝藻在水体中的分布和迁移，对水质管理至关重要。

众多研究表明，蓝藻的垂直分布和迁移受光照、风、水流、营养物质等多种因素影响。在静止水体中，光照是影响蓝藻垂直迁移的关键因素。不过，以往大多研究聚焦于自然光照，对不同角度人工光照的研究较少。而且，不同光照条件下蓝藻的分布和生长情况复杂，仅研究顶部光照无法全面描述。

为了深入了解不同光照设置对蓝藻分布和迁移的影响，日本埼玉大学（Saitama University）的研究人员 Hongyu Yan、Mudalige Don Hiranya Jayasanka Senavirathna、Takeshi Fujino 开展了相关研究。他们的研究成果发表在《Hydrobiologia》上，为水生态系统中蓝藻的管理提供了重要依据。

研究人员采用了多种技术方法来开展研究。首先，实验设置了两种特定的光照条件：均匀分布的垂直光和强度自上而下递减的顶部光。在温度可控的实验室中，使用三个 1.5 米高的垂直水柱，以铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）为实验菌株进行为期 15 天的培养。其次，通过测量不同参数来评估铜绿微囊藻的生长和分布情况，包括细胞计数、叶绿素 a（Chl a）含量、碳水化合物含量等。同时，测量过氧化氢（H₂O₂）水平来评估活性氧（ROS）水平。此外，利用随机森林（RF）模型对铜绿微囊藻的分布数据进行自动分类，以确定光照设置是否是影响其分布的重要指标。

研究结果如下：

1. 铜绿微囊藻细胞和菌落数量的总体变化：实验期间，单细胞 / 小菌落和中等菌落数量呈下降趋势，而大菌落数量增加。在不同时间点，不同大小菌落的数量变化趋势有所不同，如在 06:00 和 18:00 的变化趋势存在差异。
2. 铜绿微囊藻的分布：实验第 5 天，单细胞 / 小菌落和中等菌落在 0 - 1.0 米深度相对均匀分布，1.25 米深度浓度在 06:00 时显著增加；第 10 天，上层菌落数量变化明显；第 15 天，单细胞 / 小菌落呈现中间深度浓度高、表面和深层浓度低的分布模式，中等菌落分布无明显规律。大菌落多分布在 0.75 - 1.25 米深度。
3. 铜绿微囊藻菌落的迁移：单细胞 / 小菌落和中等菌落在不同日期的迁移趋势不同。第 5 天，单细胞 / 小菌落有向下迁移趋势；第 10 天，所有深度均呈现向上迁移趋势；第 15 天，仅 1.25 米深度有明显向下迁移。
4. 水质参数：pH 和溶解氧（DO）值与深度呈负相关，总溶解固体（TDS）在 1.0 米以下与深度无明显相关性，但在底部显著增加，且这三个参数均随培养时间增加而增加。
5. 叶绿素 a 含量：叶绿素 a 浓度通常随深度增加而增加，但在第 10 天 0.5 米深度出现轻微下降。不同日期的叶绿素 a 浓度在 06:00 和 18:00 存在显著差异。
6. 细胞内H₂O₂含量：第 15 天的H₂O₂总体浓度高于第 5 天和第 10 天，且在黑暗处理后培养期间H₂O₂水平增加，光照处理 12 小时后第 15 天的含量更高。不同日期的H₂O₂含量在 06:00 和 18:00 存在显著差异。
7. 碳水化合物含量：在 06:00，不同采样时间的碳水化合物含量略有下降，第 15 天在 0.5 和 0.75 米深度较高，1.0 米深度最低后在 1.25 米深度回升；在 18:00，第 5 天的碳水化合物含量显著低于第 10 天和第 15 天。
8. 随机森林模型分类结果：RF 模型对 33 个样本的分类准确率为 93.94%，十折交叉验证后的平均准确率为 90.91%，表明该模型对顶部和垂直光照设置具有较高的可靠性。“sur_Max” 是模型中最重要的特征。

研究结论与讨论部分指出，光照设置的改变显著影响了铜绿微囊藻的分布和昼夜节律。第 10 天改变光照设置后，第 15 天单细胞 / 小菌落的分布呈现出与以往仅顶部光照研究相似的趋势，且在底部发现大量悬浮蓝藻，这可能与铜绿微囊藻夜间向上运动有关。RF 模型分类结果进一步证实，光照条件是影响铜绿微囊藻垂直分布的关键因素，而非深度或压力。此外，光照条件的变化还会影响铜绿微囊藻的聚集和昼夜节律。在机制方面，铜绿微囊藻在第 10 天的异常迁移与细胞密度、碳水化合物含量、菌落大小以及细胞外多糖（EPS）等因素有关。随着溶液密度和菌落数量的变化，铜绿微囊藻的浮力改变，从而影响其迁移方向。

总的来说，该研究通过实验和模型分析，明确了光照设置对铜绿微囊藻分布的重要影响，为人工和自然水生系统中蓝藻动态的管理提供了理论支持，有助于控制蓝藻水华、保障水质安全。不过，研究也存在一定局限性，如实验条件有限，考虑的特征数量有限，未来研究可输入更多基于自然或人工环境的数据，结合经典分析方法，进一步深入研究。