Мультиспектральні вимірювання пігментних параметрів фітопланктону у водних середовищах

Abstract

Підвищення точності опосередкованих вимірювань пігментних параметрів фітопланктону у природних водних середовищах необхідно для задач екологічного моніторингу водних об’єктів, їх екотоксикологічного контролю, а також багатопараметричного контролю якості води. Використовуючи методику математичного моделювання розсіювання світла у малокутовому наближенні у багатошарових неоднорідних середовищах, розв’язано пряму задачу визначення спектральних характеристик природних водних середовищ при зміні пігментних параметрів фітопланктону. У роботі досліджено процес опосередкованого вимірювання пігментних параметрів фітопланктону у водних середовищах мультиспектральним методом та отримано регресійні рівняння, що дозволяють визначити співвідношення між хлорофілом a та загальним хлорофілом, а також співвідношення між каротиноїдами та загальним хлорофілом. Для цього використано процедуру множинної регресії з покроковим включенням незалежних змінних. Здійснено аналіз методичних та інструментальних похибок вимірювань пігментних параметрів фітопланктону у водних середовищах під час використання у мультиспектральному засобі екологічного вимірювального контролю у якості джерела випромінювання світлодіодів, лазерних діодів та монохроматора. Обрано оптимальні варіанти реалізації засобів мультиспектрального екологічного контролю пігментних параметрів фітопланктону водних середовищ в залежності від вартості їх реалізації та загальної похибки вимірювання. Під час вимірювання співвідношення між хлорофілом a та загальним хлорофілом фітопланктону у водному середовищі найменшу загальну похибку 0,381% отримано для 6-ти канального засобу мультиспектрального вимірювального контролю з шириною спектрального діапазону у кожному каналі 20 нм. Під час вимірювання співвідношення між каротиноїдами та загальним хлорофілом фітопланктону у водному середовищі оптимальним варіантом реалізації засобу мультиспектрального екологічного контролю обрано 5-ти канальний засіб з шириною спектрального діапазону у кожному каналі 20 нм, що дозволяє отримати загальну похибка вимірювань не більше 0,486%.

The increase of the indirect measurement accuracy of phytoplankton pigment parameters in natural aquatic habitats is necessary for the solution of the problems of ecological monitoring of water objects, their ecotoxicological control as well as multiparametric control of water quality. Applying the technique of the mathematical modeling of light scattering in small angle approximation in multilayer nonuniform media, the direct problem of determination the spectral characteristics of natural aquatic habitats on changes of the pigment parameters of phytoplankton is solved. In the given research, the process of the in direct measurement of the phytoplankton pigment parameters in aquatic habitats by means of multispectral method is studied, the regression equations are obtained, enabling to determine the relation between the chlorophyll a and general chlorophyll, as well as the relation between the carotinoids and general chlorophyll. For this purpose, the procedure of multiregression with step-by-step inclusion of the independent variables is used. The analysis of the methodical and instrumental errors of the phytoplankton pigment parameters measurements in aquatic habitats is performed, using in multispectral device of ecological measuring control light emitting diodes, laser diodes and monochromator as the radiation source. Optimal variants of the realization of the means of multispectral ecological control of pigment parameters of the phytoplankton in the aquatic habitats is chosen, depending on the cost of their realization and general measurement error. In the process of measurement the relation between the chlorophyll a and general chlorophyll of the phytoplankton in the aquatic habitat, the least general error of 0.381% was obtained for the 6-channel device of multispectral measuring control with the width of spectral range in each channel of 20 nm. In the process of measurement the relation between carotinoids and general chlorophyll of the phytoplankton in the aquatic habitat 5 channel device with the width of spectral range in each channel 20 nm was chosen to be an optimal variant of the device for multispectral ecological control, it enables to obtain general measurement error of not more than 0.486%.

Повышение точности косвенных измерений параметров пигмента фитопланктона в природных водных средах необходимо для решения задач экологического мониторинга водных объектов, их экотоксикологического контроля, а также многопараметрического контроля качества воды. Используя методику математического моделирования рассеяния света в малоугловом приближении в многослойных неоднородных средах, решается прямая задача определения спектральных характеристик природных водных сред обитания по изменению параметров пигмента фитопланктона. В данном исследовании изучается процесс непосредственного измерения параметров пигмента фитопланктона в водных средах с помощью мультиспектрального метода, получены уравнения регрессии, позволяющие определить связь между хлорофиллом.а и общий хлорофилл, а также связь между каротиноидами и общим хлорофиллом. Для этого используется процедура мультирегрессии с пошаговым включением независимых переменных. Проведен анализ методических и инструментальных погрешностей измерений параметров пигмента фитопланктона в водных средах обитания с использованием в качестве источника излучения многоспектрального прибора экологического контроля, контроля светодиодов, лазерных диодов и монохроматора. Оптимальные варианты реализации средств многоспектрального экологического контроля пигментных параметров фитопланктона в водных средах обитания выбираются в зависимости от стоимости их реализации и общей погрешности измерений. В процессе измерения связь между хлорофиллом аи общий хлорофилл фитопланктона в водной среде обитания, наименьшая общая погрешность 0,381% была получена для 6-канального устройства многоспектрального измерительного контроля с шириной спектрального диапазона в каждом канале 20 нм. В процессе измерения оптимальным вариантом устройства для мультиспектрального экологического контроля была выбрана связь между каротиноидами и общим хлорофиллом фитопланктона в 5-канальном устройстве водной среды с шириной спектрального диапазона в каждом канале 20 нм. получить общую погрешность измерения не более 0,486%.