关键词： 浮游植物   细胞活性   数字全息   深度学习   颗粒有机物  

摘要： 颗粒有机物(Particulate organic matter,POM)从真光层向海底的输运是海洋碳循环的重要环节,也是碳迁移和埋藏的主要形式。可沉降POM的形成与浮游植物的细胞活性密切相关,量化不同活性的浮游植物对可沉降POM的贡献对于了解海洋上层有机物命运和理解生物泵模型具有重要意义。浮游植物的活性状态是多种环境因子综合作用的结果,在个体水平上探讨环境因子对浮游植物细胞活性的影响对于理解海洋生态系统的运作、预测和评估海洋生态系统的健康状况具有重要的意义。然而,现有的浮游植物细胞活性识别方法,如:染色法、流式细胞法、叶绿素荧光法、酶法等,大多借鉴自动物细胞的活性识别。存在着需要染色,引入外源物质,无法定量,不能适应海上应用等问题,大大限制了海洋浮游植物相关研究的发展。为此,本文聚焦海洋研究中浮游植物细胞活性识别的需求,针对现有识别方法的局限性,开展了一系列研究,取得了以下成果:(1)根据细胞折射率、染色结果和生长曲线的区别,将浮游植物的活性状态分为:活跃、衰弱和死亡三种。分析了不同活性的藻细胞对光场的调制作用,为基于数字全息成像和深度学习的细胞活性识别模型的建立奠定了理论基础。(2)提出了一种基于数字全息和深度学习的浮游植物细胞活性识别方法(Holo-deep法)。该方法的硬件部分由数字全息成像系统构成,基于光的干涉原理,将照射到藻细胞上发生偏折的物光和未偏折的参考光之间的干涉图样存储为数字图像,然后通过数值衍射计算重建物光场的波前,获得藻细胞的振幅和相位图像。算法部分基于深度学习的VGG16卷积模型,通过多重卷积运算,提取浮游植物细胞全息再现像中能够表征细胞活性的高维特征,实现了对浮游植物细胞活性的三分类。Holo-deep法具有无标记,非入侵,不引入外源物质的特点,既能实现对大量藻细胞的快速活性识别,又能对单个细胞进行长时序跟踪观测,既能反映细胞的死和活,还能反映介于二者之间的衰弱状态。(3)将Holo-deep法应用于海洋浮游植物的生态研究中,开展了环境因子对浮游植物细胞活性影响的研究。首先,通过实验室内的变温实验,研究不同温度变化过程对赤潮藻活性的不同影响,证明高温导致的热损伤是降低藻细胞活性、抑制种群增长速度的主要原因。这启示我们在未来的有害藻华监测中更应关注藻细胞自身的微观特征。接下来,在东海开展了浮游植物细胞活性的现场观测,研究环境因子对东海浮游植物种群生长的影响。结果显示,春季东海海域的表层浮游植物的细胞活性受到海表温度和营养盐水平的影响。其中,温度主要影响衰弱细胞占比,但是对死亡细胞占比的影响不显著。营养盐水平对藻细胞活性的影响则存在一个阈值。当硝酸盐浓度<7.0 μmol·L-1且磷酸盐浓度<0.6 μmol·L-1时,衰弱、死亡细胞占比与叶绿素a浓度呈正相关关系。当硝酸盐浓度>7.0 μmol·L-1或磷酸盐浓度>0.6 μmol·L-1时,上述相关关系不再成立。(4)将Holo-deep法应用于海洋颗粒有机碳研究中,探索了不同活性的浮游植物与海洋可沉降POM之间的量化关系。根据可沉降POM的粒径范围,用POC>75(粒径大于75 μm的POM的碳含量)来表征可沉降POM。首先通过对不同种类藻细胞的实验室培养,发现每天观测到的死亡藻细胞数量的累加与POC>75之间存在正相关关系。该结果表明,可沉降POM主要是由浮游植物细胞死亡裂解后的碎屑凝聚而成。随后,在东海海域进行了现场培养实验,探究自然海域中浮游植物的死亡与POC>75的时空变化关系。实验结果表明浮游植物的死亡是POC>75形成的主控因素之一,且东海海域表层POC>75的累积质量与浮游植物细胞的累积死亡数之间存在以下关系:POC>75累积质量(mg)=0.487×藻细胞累积死亡数(/104)+0.069。本研究借助Holo-deep法,阐释了浮游植物细胞活性和可沉降POM之间的定量关系,为完善东海碳通量模型提供了科学依据,同时也加深了对海洋生物碳泵的理解。综上,本文不仅开展了基于数字全息的浮游植物细胞活性识别的方法研究,而且探索了东海海域环境因子对浮游植物细胞活性的影响以及浮游植物死亡对可沉降POM的贡献。从浮游植物细胞活性状态的角度对海洋生物泵研究中的一些问题提出了新的见解,同时为海洋浮游植物的现场观测和研究提供了新的思路。

关键词： 深度学习   轻量模型检测   小目标检测   海洋生物识别  

摘要： 海洋生物作为海洋资源的重要组成部分,也是维护地球生态平衡的重要力量。海洋生物通常栖息在不同位置,通过对海洋生物位置和物种的识别,了解不同种类海洋生物的生活环境和习惯,对海洋生物资源和生态环境的保护起着至关重要的作用。本文深入研究基于深度学习的目标检测模型,针对海洋生物体积小、身形相似,现有检测算法准确性和实时性难以兼顾的问题,基于YOLO(You Look Only Once)系列的单阶段检测模型,对多种海洋生物和陆地数据进行了大量实验,并通过对海底图像的特征分析提出了三种不同的检测算法模型,模型不仅在海洋生物数据集上表现较强检测性能和较高的检测效率,在公共数据集中也取得了很高的检测准确度。本文的主要研究工作如下:(1)针对现有海洋生物识别准确不高的问题,基于YOLOv4框架,提出一种MDM-YOLO(Marine Detection Model with YOLO)海洋生物检测算法。在YOLOv4网络中设计多分支主干网络增加梯度流动路径,并利用高效置换注意力机制中促进重要特征信息之间的交流,提高网络检测多尺寸目标的鲁棒性。实验结果表明,MDM-YOLO模型提高了2.31%的检测精度,具有更低的漏检率。(2)针对小目标难以准确识别的问题,基于YOLOv7框架,提出了一种LKYOLO(YOLO based on Large Kernel Convolution)的海洋生物检测算法。构建混合空洞大核注意力机制,同时获取卷积中局部感受野和注意力的长距离信息,新的残差卷积模块也被设计用于促进特征多方位关系的捕获,提高检测器的性能。为了自适应筛选可用信息,创新性地改进检测头,加入自适应空间融合技术,学习在不同特征层对特征进行空间过滤。实验结果表明,改进网络在各尺寸目标下的表现都极佳,在两个不同数据集上分别提高了2%和14%的高精度。(3)针对轻量检测模型难以同时满足准确性和实时性的问题,基于YOLOv4-tiny框架,提出了一种MODA(Marine Object Detection Algorithm)海洋生物定位识别算法。在主干网络中引入位置和通道注意力单元,加深网络特征提取程度,并设计混合空洞卷积扩大感受野,进一步促进深层特征的融合。实验结果表明,MODA模型在高速率检测的基础上,提高2.62%的海洋生物检测精度。

摘要： 16S ribosomal RNA (rRNA) gene sequences are commonly analyzed for taxonomic and phylogenetic purposes because they contain variable regions that help distinguish genera. However, intra-genus classification is difficult due to high sequence similarity among closely related species. The biological impact of nucleotide variants in 16S variable regions are often unknown and hence their sequence differences are weighted evenly during classification, which provides poor species identity confidence. In this dissertation, I determined that analysis of intra-genus 16S allelic variants can provide species information and that nucleotide changes in 16S rRNA variable regions can impact ribosome quality. In one study, I analyzed ribosomal gene sequences, including 16S variable regions, to identify microbes that can spoil different retail draft beers. Based on relative sequence abundance changes of variable region sequences, I determined that certain bacteria preferred growth on draft lines rather than beers. Sequences of certain species were consistently detected at ratios indicative of their 16S gene copies, suggesting they came from specific strains. In a second study, I computationally interrogated 16S variable sequences in closely related genera Escherichia and Shigella and discovered that certain species could be differentiated. I demonstrated that Escherichia coli ribosomes were compromised when they carried 16S rRNA with these species-informative nucleotides, suggesting that variable region nucleotides may be constrained to respective species. In a third study, metagenomic sequencing was used to identify organisms that resided on cables submerged off the coast of Florida. Relative abundances of DNA for putative polymer-degrading organisms reduced over time and DNA for putative polymer-degrading enzymes were present at low relative abundance. Altogether, this dissertation shows the capabilities of DNA-based microbial identification and suggests that acknowledgment 16S alle

关键词： 海洋生物分泌液   光催化降解   二氧化钛   非金属元素改性   可见光响应  

摘要： 在水环境污染物治理领域,光催化技术具有反应条件温和、能耗小、效率高等优势,极具应用前景。开发新型高效的可见光响应光催化剂是该领域研究的热点。TiO2作为一种半导体催化材料,因其化学性质稳定、耐腐蚀、不会造成二次污染等特性在光催化领域占有极其重要的地位。然而,TiO2作为光催化剂存在着带隙宽度较宽、太阳光利用率较低和光生载流子极易复合等缺点,这些缺点极大限制了TiO2在光催化领域的应用。非金属元素改性TiO2具有成本低、制备工艺简单、光催化能力强等优异性能而在TiO2改性方法中脱颖而出。因此,本文针对上述科学问题,通过选取两种我国近海常见的灾害水母（沙海蜇和海月水母）分泌液和两种重要养殖贝类（长牡蛎和紫贻贝）外套膜外液四种海洋生物分泌液作为非金属元素来源,采用水热法一步合成非金属元素改性的TiO2,即氮掺杂碳改性TiO2（N-TiO2/C）。根据分泌液的种类不同分别命名为:HZ/TiO2（沙海蜇触手分泌液）,HY/TiO2（海月水母粘液）,ML/TiO2（长牡蛎外套膜外液）和YB/TiO2（紫贻贝外套膜外液）。分析其形貌结构、物相组成、光电性能,评估其可见光光催化活性,以制备低成本、高性能的可见光光催化剂;同时,探讨所制备的光催化剂光催化降解罗丹明B（Rh B）和微塑料（MPs）的性能,为近海灾害水母资源化利用、养殖贝类产品附加价值提升提供新途径,为环境中Rh B和MPs的污染治理提供新方法。主要研究内容和结论概括如下:（1）通过SEM、TEM、EDS、XRD、XPS、UV-vis、PL和EIS测试对光催化剂的形貌结构、物相组成、光电性能进行表征分析。结果表明所制备的光催化剂的物相结构主要为锐钛矿相,有部分板钛矿相;光催化剂中存在Ti、O、C、N;验证了氮元素的掺杂和碳元素对光催化剂的改性,所制备的改性TiO2为N-TiO2/C;氮元素掺杂和碳元素改性可以使TiO2的带隙缩小,使其可以利用可见光进行光催化降解,提高了光利用效率;所制得的光催化剂比纯TiO2有更好的光催化性能,氮元素掺杂和碳元素改性有利于光生载流子的快速分离,有助于光催化降解效率的提高,并且改性TiO2具有更低的电子转移电阻,更利于光生电子及空穴转移和分离,具有更好的光催化性能。（2）利用所制备的改性TiO2（HZ/TiO2,HY/TiO2,ML/TiO2和YB/TiO2）在可见光下（λ≥400 nm）光催化降解Rh B,研究改性TiO2可见光光催化降解Rh B的性能,揭示改性TiO2高效降解机理。所制得的四种光催化剂降解效率都远高于纯TiO2,其中HZ/TiO2光催化剂可以在20min内对Rh B降解97%以上,并且四种光催化剂经过多个循环之后自身的晶体的结构没有明显变化,表示合成的四种光催化剂有良好的稳定性;利用ESR技术结合捕获实验验证了改性TiO2降解有机物反应体系中的存在的活性物质为超氧自由基,羟基自由基,空穴和单线态氧;结合XPS的价带谱结果、UV-vis和ESR检测结果,推测出改性TiO2（N-TiO2/C）对有机污染物的高效降解是由于氮元素掺杂和碳元素改性对TiO2光催化性能提升的协同作用,以及反应体系中产生的活性物种综合作用。（3）利用所制备的改性TiO2在可见光下（λ≥400 nm）光催化降解MPs,研究改性TiO2可见光光催化降解MPs的性能,探索改性TiO2可见光光催化降解MPs性能和环境因素的影响。SEM,FTIR结果表明本文选用的MPs是由表面光滑完整的聚丙烯纤维组成;制备的四种光催化剂对MPs都有不同程度的降解,其中HZ/TiO2降解效果最好,重量损失达到51.20%,催化剂光催化降解后MPs表面出现不同程度的破碎形变,变得粗糙,发生断裂,一部分甚至由纤维状变成了薄膜状,最终被降解;影响因素实验结果表明中性p H（p H值=7）对MPs的降解没有影响,酸性和碱性（p H值=5、p H值=9）环境有助于MPs降解,强酸和强碱（p H值=3、p H值=11）条件下阻碍MPs降解,在高浓度的氯化钠溶液中也不利于MPs降解,催化剂的光催化性能和污染物降解过程会受到不同程度的抑制。

关键词： Environmental change   Gavia immer   Open-access databases   Phoebastria nigripes   Puffinus griseus   shorebirds  

摘要： Understanding the distribution of organisms is an important priority for society as we live through ecosystem transformations that threaten the well-being of all organisms. I have approached the dynamic and complex issue of studying biodiversity by using open-access seabird data collected along the Americas since the 1960s. I explained how these data have changed over time and space, how certain species populations could have shifted over time, and possible correlations between this potential geographic change and select environmental variables. In Chapter 2 I evaluated the suitability of the open-access data archive Ocean Biodiversity Information System (OBIS) for supporting detailed inquiry into multi-decadal-scale geographic distributions of sea- and shorebird species in the Americas. The study included more than 680,000 occurrence records of 210 species collected between 1965 and 2018, evaluating them by marine ecoregion. I found that while OBIS contained a significant amount of data, the majority of records were from North American marine ecoregions, specifically from the Puget Trough/Georgia Basin and the Gulf of Maine/Bay of Fundy. Only a small portion of the data covered South America, the majority of which was collected in the Channels and Fjords of Southern Chile ecoregion. This study concluded that North American ecoregions could be used for future research, but that the community should share additional observations via OBIS to enable comprehensive, large-scale and detailed meta-analyses of spatial and temporal trends in marine and shorebird biodiversity. In Chapter 3, I used OBIS occurrence (presence only) records from 1980–2018 for common loons (Gavia immer), sooty shearwaters (Puffinus griseus), and black-footed albatross (Phoebastria nigripes) to see how locations of these field-observations changed over time. The objective was to see how these changes illustrate the possibility of populations shifting northward or southward correlating with sea-surf

关键词： 校本课程开发   海洋生物资源   高中生物学  

摘要： 习近平总书记在党的十八大作出了建设海洋强国的部署,党的十九大进一步提出“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”,人们对海洋生物资源依存性增加,海洋生物资源开发与利用日益受到重视,适应海洋强国、强省、强市的海洋教育刻不容缓。随着新一轮基础教育改革的全面启动与推进,校本课程以其灵活性与独特性成为课程改革的助推器,基于海洋生物资源利用的时代背景下开发校本课程,挖掘海洋生物资源中蕴含的教育资源与育人价值,促进校本课程开发多元化发展,系统全面地培养学生的海洋意识,通过理论学习和实践体验提升学生对海洋生物资源的认识,对于贯彻海洋强国战略及提高学生生物学学科核心素养具有重要意义。基于以上研究目的,依据建构主义理论、施瓦布的实践课程模式、斯腾豪斯的过程模式、发展性课程评价模式,总结校本课程开发的基本环节与流程,采用文献研究法、问卷调查法、访谈法、课堂观察法,构建高中生物学“海洋生物资源开发与利用”校本课程开发模式。本研究可划分为理论研究、课程开发、课程实施、课程评价、总结反思五部分,首先梳理校本课程开发国内外现状,对学生与学校进行前期需求分析,结合地域特色确定选择“海洋生物资源开发与利用”进行校本课程开发。根据分析结果与校本课程开发的一般流程,构建“海洋生物资源开发与利用”校本课程体系,在Z中学开展课程实践,最后基于评价体系对校本课程实施效果进行评价与反思,总结开发过程中的经验与不足,为调整与完善校本课程提供反馈信息。研究结果表明,本研究开发的“海洋生物资源开发与利用”校本课程提高了学生的生物学学习兴趣,有助于学生海洋意识的提高,对学生产生了积极影响,丰富了学校校本课程体系,为相关校本课程开发与实践提供参考。

摘要： 水下摄影师罗伯特·斯坦斯菲尔德(Robert Stansfield)在墨西哥科苏梅尔岛附近开放海域黑水潜水时拍摄了大量照片。斯坦斯菲尔德说:“黑水潜水从不令人失望,总能让人感到惊奇。这些如外星人一般的疯狂生命在开放海域中漂来浮去,能游到离礁石很远的地方。黑水潜水时还能看到地球上最大的生物迁徙。每个深夜,都会有大量海洋生物从海洋中下层迁徙到上层。正是这种夜间迁徙行为让我们有机会在水面附近就看到那些原本栖息在海洋深处的生命。”

摘要： Multi-region input-output (MRIO) analysis is an economics method for tracing the imports and exports of multiple trading regions, who are trading multiple commodities. A supply-push MRIO model follows the fate of a raw material from a specific source location through various supply chains to find its assimilation in many final products around the world. Similarly, marine non-indigenous species (NIS) begin at a native range and can spread to many locations globally. The hypothesis is that MRIO analysis can be applied to model the movement patterns of marine NIS due to global shipping. The primary purpose of cargo vessels is to provide transport for the tangible commodities of international trade. Cargo vessels are also the most common type of global anthropogenic transportation for marine NIS. The global movement patterns of marine NIS can therefore be linked to the global movement patterns of commodities due to transport by the same cargo vessels. By examining the trade activity between nations to deduce the magnitude of seaborne trade, MRIO analysis can be used to infer and predict the global distribution of marine NIS, enabling opportunities to trace past incursions and predict future scenarios. The hypothesis can be tested by setting up an MRIO model and evaluating its effectiveness in modelling the movement patterns of marine NIS. The primary contribution of this thesis was to quantify the input parameters from which the eventual predictions are derived. Different types of marine biosecurity risk factors associated with commercial shipping were evaluated, first by quantifying the risk factors associated with different cargo vessel types, then by quantifying a variety of source-destination risk factors between pairs of regions.. The products of these efforts can be used for risk assessment purposes beyond MRIO analysis. Finally, quantifications of the risk factors were translated into risk weights associated with types of commodities, each trade region, and each

关键词： 生物多糖   纳米颗粒   复合膜   抗菌   阻燃  

摘要： 传统不可降解包装材料给人们生活带来便利的同时,也对自然环境造成严重的威胁,如石化资源枯竭、水土资源流失、土地沙化等问题日益严重。当前,学术界致力于可再生、可降解材料的研发以改善生态环境。随着我国陆地资源的过度开发和人们环保意识的提升,丰富可再生的海洋资源将成为首选材料。这也符合我国海洋强国战略提出的“提高资源开发能力、发展海洋经济”的理念。从天然海洋生物中提取的卡拉胶、海藻酸钠和壳聚糖具备无毒、较好的生物相容性、易凝胶化和易成膜等优势,能够较好地避免传统包装材料难降解等问题,被广泛应用于医疗和食品包装领域。本文通过流延法、热铸法和逐层自组装法制备了生物多糖复合膜。通过添加无机氧化物SiO2、ZnO、CuO、Fe2O3颗粒,研究了多糖无机氧化物复合膜的力学性能、耐水性、紫外线屏蔽、阻燃和抗菌等性能,旨在制备出替代传统不可降解包装材料的薄膜。本论文主要包括以下三个方面:1.通过流延法和热铸法制备不同含量纳米SiO2的卡拉胶/海藻酸钠/纳米SiO2复合膜(FCA/SA/SiO2-n)。研究了纳米SiO2含量对卡拉胶/海藻酸钠复合膜性能的影响。FCA/SA/SiO2-n的SEM表明纳米SiO2能均匀地在复合膜中分散;FCA/SA/SiO2-n的XRD和FTIR表明SiO2和多糖之间存在相互作用。0.5wt%纳米SiO2复合膜的断裂强度为61.57MPa,高于不含纳米SiO2的复合膜。这与纳米SiO2和分子链间形成的相互作用力有关。同时,纳米SiO2的加入提高了薄膜抗紫外线的作用,改善了复合膜的溶胀性和水蒸气透过率。2.通过流延法和逐层技术制备了卡拉胶/纳米ZnO/壳聚糖复合薄膜(FCA/ZnO/CS)。SEM显示薄膜具有良好的形态和相容性。FTIR和XRD表明纳米ZnO和多糖之间形成相互作用,XPS和XRD表明明ZnO转化为Zn2+。拉伸测试结果表明该薄膜的断裂强度为51.49 MPa,是FCA/ZnO薄膜的1.5倍。这是因为ZnO纳米颗粒和CS溶液中的醋酸相互作用形成了Zn2+,其中一些与CA中的-OSO3-基团交联,从而提高了机械性能。同时,薄膜的水接触角达到91.4°,符合疏水膜的指标。该薄膜也提高了复合膜的阻水性、热稳定性以及抗菌的效果。3.通过流延法和逐层技术制备了卡拉胶/金属氧化物/壳聚糖复合薄膜。将卡拉胶粉末溶解于纳米金属氧化物的分散液中,然后将壳聚糖粉末加入醋酸溶液中,通过逐层法制备了具有阻燃抗菌性能的多糖纳米复合膜:FCA/CuO/CS和FCA/Fe2O3/CS。光学照片显示多糖纳米复合膜具有规则的形貌,表现出较好的阻燃性和一定的抗菌性。其中,FCA/CuO/CS对金黄色葡萄球菌有更好的抑菌效果;相比FCA/CuO/CS,FCA/Fe2O3/CS的极限氧指数值为38%,具有较好的阻燃性能。

关键词： Nature   animals   dinosaurs \u0026 prehistoric creatures   nature   animals   reptiles \u0026 amphibians   nature   reference   science   paleontology  

ISBN: (数字)9780691243993 ISBN: (纸本)9780691243948

摘要： A richly illustrated introduction to the spectacular reptiles that swam the oceans when dinosaurs roamed the landDuring the Mesozoic era, 252 to 66 million years ago, dinosaurs ruled the land, but the ocean deeps were roiling with equally spectacular reptiles鈥攊ncluding giant predators. This richly illustrated, authoritative, and accessible book introduces readers to the world of these fascinating marine animals, whose predecessors returned to the seas a few million years after the first vertebrates emerged from the water. As we meet ichthyosaurs, plesiosaurs, mosasaurs, and many others, we learn about the astonishing anatomical, physiological, and behavioral adaptations that enabled these reptiles to become ocean dwellers again. We also learn about their living descendants, including sea turtles and sea snakes. Featuring stunning artwork depicting these prehistoric ocean creatures and photographs of their fossil remains, this book invites readers to discover the enthralling past of marine reptiles in all their extraordinary diversity.