远程在线预测水质生物毒性与异常变量的研究

发布时间：2020-02-24 06:17

【摘要】：为实现水质综合生物毒性的远程在线监测,文中在水质综合生物毒性分析仪研究基础上,基于Windows和Android平台开发了包括改进曲线拟合算法的,以Fabonacci法进一步优化改进的曲线拟合模型的各项系数,编写毒性物质成分和浓度预测的远程在线水质生物毒性预测软件。通过探讨磁力搅拌时间、培养温度、暴露时间及p H值范围对EC50测定值的作用,分析各条件对发光菌生物毒性实验的影响。经验证,加入该软件的分析仪测量精度高、稳定性好,实现了远程在线监测。
【图文】：

框图,电气原理,分析仪,框图

108InstrumentTechniqueandSensorFeb.2017手机主要实现系统的远程便携式在线监测。(a)(b)图1系统的基本框图与分析仪电气原理框图2基于曲线拟合预测模型的研究本系统除了实现对水质分析仪的远程在线监测外，还需实现毒性物质成分及浓度的预测，利用改进曲线拟合算法辅助提高发光菌与毒性物质反应机理曲线识别与毒性物质预测的计算速率以及体现发光菌的活性因素，并采用Fabonacci法对拟合曲线进行优化。2．1算法研究该算法是基于数值相近以及形态相似的曲线拟合算法的结合，其中，基于形态相似的曲线拟合算法能改善数值相近算法在拐点处预测准确性不足，拟合速度以及无法反应发光菌随时间的存活率的问题。而基于形态相似的曲线拟合算法利用powell算法提高计算速度，但powell算法在迭代时前n个搜索方向必须线性无关。本改进的曲线拟合算法利用权值变量可以避免形态相似当powell算法无法求解最优的情况。设数值相近准则的曲线拟合算法的权重为w1，曲线模型为y1，形态相似准则的曲线拟合算法权重为w2，模型为y2，设改进的曲线拟合模型为:y(x)=w1y1(x)+w2y2(x)，约束条件为:0＜w1≤1，0＜w2≤1，因此改进的曲线拟合模型为y(x)=w1y1(x)+w2y2(x)，w1∈(0，1］，w2∈(0，1］，要求拟合的曲线值与对应的真实值的误差和最小，即Δ=min(∑ni=1|y(xi)－yi|2)得出最优的权重值。该算法的基本思路为:利用最小二乘解法得到曲线拟合的参数方程y1，，并求出精确值。设形态相似拟合曲线为:y2(x)=a0+a1x+a2x2+…+anxn，结合形系数方程S12=1n∑ni=1|x12i－e12|，并采用罚函数的外点法将该问题的求解转?

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第2期黄静等:远程在线预测水质生物毒性与异常变量的研究109使得到的拟合曲线最接近真实曲线。拟合的曲线值与对应的真实值的误差为Δ=min(∑ni=1|y(xi)－yi|2)=0.0071图2模型之间的对比由图2可以看出，最小二乘的拟合曲线较平坦，形态相似准则的拟合曲线很好地反应了真实曲线的变化和抖动情况，但是在数值的精度拟合上不足，而改进的拟合曲线拟合效果最好，且体现出发光菌的生命活性受到时间影响因子的影响。3异常变量对EC50的影响探讨与系统稳定性验证发光细菌的发光机理是细菌体内正常的生化反应，其发光效果极易受到环境条件的影响。在研究的过程中分别研究磁力搅拌时间、培养温度、暴露时间以及pH值范围对EC50测定值的影响。仪器为水质综合生物毒性分析仪，试剂为苯酚、氯苯，均为分析纯，用3%NaCl溶液配制，明亮发光杆菌T3小种冻干粉。3．1pH值范围的影响采用发光细菌测定水样毒性传统方法中，一般先将样品pH值调节至7．0左右，而这有可能改变待测样品中毒物的存在形态和性质。测定不同pH值对发光细菌发光度的影响，实验结果表明:若水样的pH值在5．0～9．0，则不需调节pH值;若水样的pH值低于5.0或高于9．0，则需调节至5．0或9．0之间。3．2培养温度的影响明亮发光杆菌属低温菌种，生长温度为0～25℃，最适生长温度为18℃。荧光素酶在0～30℃活性最大，并且稳定，45℃时产生不可逆失活。实验温度为0～25℃时，如表2所示为培养温度对化合物EC50的影响。表2培养温度对化合物EC50的影响温度t/℃苯酚氯苯15±1206．437．5120±1214．241．6825±1298．557．54注:发光菌选用T3，发光菌培养时间为12h。在(15±1)℃～(20±1)℃，化合物EC50相差不大，但当温度升至(25±1

【参考文献】