本發(fā)明涉及生物監(jiān)測技術領域，具體涉及環(huán)境壓力下的魚類響應模型生成方法，及基于魚類響應模型的水體質量評估方法。

背景技術：

魚類是水生低等變溫脊椎動物，容易受外界環(huán)境的影響。在工廠化養(yǎng)殖生產過程中溫度、鹽度、溶解氧、酸堿度、氨氮和亞硝酸鹽等因素是影響魚類生長的主要環(huán)境因子。溫度可以影響鰱、鳙魚體內轉氨酶活性，隨溫度升高酶活性增強而且魚體血液紅細胞數(shù)目也隨溫度變化發(fā)生波動。鹽度在魚類的生長過程特別是在仔魚期起重要的作用，低ph值不僅可以影響魚類的胚胎發(fā)育、耗氧代謝和血液酸堿平衡，也可以引發(fā)草魚鰓和肝組織超氧化物歧化酶(sod)活性的升高。另外，暴露于ph4.5～5.0水體中的鯉魚血糖明顯升高，體重明顯下降，可抑制魚體生長。在氨氮對鰱魚、鳙魚、草魚、鯉魚的影響實驗中，水中氨氮含量過高會導致鰓絲扭曲明顯、鰓上皮增生、鰓絲粘連，同時可以觀察到肝組織變得松軟、易破碎、肝實質細胞的細胞質明顯減少，有的甚至出現(xiàn)空泡化。養(yǎng)殖水體中亞硝酸鹽達到一定濃度易引起魚類中毒而使血液里高鐵血紅蛋白的含量升高、載氧能力下降，造成組織缺氧、神經麻痹、甚至窒息死亡。一般來說，環(huán)境因素的壓力可引起機體一系列病理變化，如組織損傷、紅細胞形態(tài)發(fā)生變化、吞噬細胞數(shù)量增加、白細胞減少、淋巴系統(tǒng)病變以及食欲下降，鰓蓋和尾柄運動頻率增加、攻擊行為減弱、生長受阻、生殖力下降等進而影響機體的防御系統(tǒng)。

如圖1的魚類壓力行為模式所示，魚類的行為模式歸納為五種，分別是無效應階段和刺激階段，適應階段，調整階段與毒性階段。各個階段之間通過閾值切換，當環(huán)境壓力大于當前閾值時，魚類行為階段就會發(fā)生變化。具體為無效應階段和刺激階段時為起始階段，此時環(huán)境壓力尚小，魚類體并未受到環(huán)境壓力太大影響，所以依然維持水平趨勢；當環(huán)境壓力第一次大于閾值時，魚類體開始進入刺激階段，該階段魚類體意識到環(huán)境壓力正在不停增長，采取了相應措施來應對，此時魚類行為強度略有提高；當環(huán)境壓力超過當前閾值時，魚類體打破當前的平衡模式，徹底進入適應階段；當環(huán)境壓力進一步增加時，魚類體進入復雜的調整階段，該階段又分調整階段與再調整階段兩種，當環(huán)境壓力大于閾值時，說明魚類體無法承受當前的環(huán)境壓力，行為強度開始降低，當環(huán)境壓力小于閾值時，說明魚類體目前調整到一個足以適應當前環(huán)境的地步，行為強度開始緩步回升；而一旦環(huán)境壓力大到魚類體耐受范圍以外，整個行為模式就會轉化為毒性模式，此時魚類體的恢復機制被破壞，行為強度表現(xiàn)為持續(xù)下降，直至為0。

目前，對魚類行為的研究多是基于視頻圖像研究，尚未上升到綜合數(shù)據(jù)構建數(shù)學模型這一層次，由于沒有可靠的模型依據(jù)，通過視頻監(jiān)測魚類來判斷水體質量的方法不具備穩(wěn)定性，加上視頻追蹤過程中容易出現(xiàn)交叉換位等基于計算機視覺的欺騙錯誤，對結果的可信度大打折扣。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種環(huán)境壓力下的魚類響應模型生成方法，該方法可以將生物體行為與外界環(huán)境壓力聯(lián)系在一起，不僅能在給定的環(huán)境壓力下預測生物體的行為強度，更能通過檢測被測生物的行為強度反映出當前的環(huán)境質量，對于在復雜水體中的水質檢測提供了一種新方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案：

一種基于環(huán)境壓力的魚類響應模型生成方法，包括：

在盛有被測魚類的水體中添加壓力源，同時在所述水體中產生低壓交流電場，被測魚類由于受到壓力源的刺激產生運動行為變化，采集由于運動行為變化引起的所述低壓交流電場的變化；

將所述變化后的電場信號采用模數(shù)轉換方法，表示為以環(huán)境壓力為自變量的行為強度信號；

采集多組被測魚類在所述水體中的行為強度變化曲線；

將所述被測魚類的行為強度變化曲線按照無效應階段、刺激階段、適應階段、調整階段與毒性階段進行分段，建立被測魚類響應模型。

本發(fā)明中的低壓交流電場是水體內生物行為生態(tài)學中的通說詞語，具體可詳見專利cn101059493。

進一步的，所述環(huán)境壓力為以時間和當前水體毒性濃度為自變量的函數(shù)，其有益效果是由于數(shù)據(jù)在兩個維度上(時間t和毒性濃度c)都是正相關關系，我們將時間和毒性濃度統(tǒng)一整合為環(huán)境壓力變量e，更有利于數(shù)據(jù)分析。

進一步的，將多組被測魚類的行為強度變化曲線中的無效應階段和刺激階段，適應階段，調整階段與毒性階段的行為強度代入以下公式：

其中gn、gp為被測魚類在相鄰階段的行為轉化比率，ap為被測魚類在相鄰階段的行為轉化效率，e＝e^t*c為環(huán)境壓力變量，t為時間，c為毒性濃度，λ1和λ2為待擬合參數(shù)，α，β為常數(shù)，bt為行為強度。

根據(jù)擬合得到的λ1和λ2，得到被測魚類的響應模型。

進一步的，對所述多組行為強度變化曲線進行濾波去噪，其有益效果是實際采集出來的行為信號十分雜亂，摻雜著許多噪聲，采用濾波算法去噪可以使曲線平滑。

進一步的，所述行為強度為正常行為強度和耐受行為強度之和，隨著環(huán)境壓力的增大，正常行為強度與耐受行為強度之間根據(jù)正常行為或耐受行為轉換比率、正常行為或耐受行為轉換效率互相轉化。

進一步的，所述行為強度bt分為bn和bp，bn定義為被測魚類的正常行為強度，bp定義為被測魚類的耐受行為強度，bn和bp滿足以下公式；

e＝e^t*c為環(huán)境壓力變量，t為時間，c為水體的毒性濃度；gn為被測魚類正常行為向耐受行為的轉化比率，gp為被測魚類耐受行為向正常行為的轉化比率，an為被測魚類正常行為向耐受行為的轉化效率，ap為被測魚類耐受行為向正常行為的轉化效率，an，ap為非0常數(shù)。

進一步的，在被測魚類行為強度變化曲線中的無效應階段和刺激階段中：耐受行為強度為零，所述正常行為強度與耐受行為強度之間不發(fā)生相互轉化；在被測魚類行為強度變化曲線中的適應階段中：所述正常行為強度向耐受行為強度進行轉化，耐受行為強度不發(fā)生向正常行為強度的轉化；在被測魚類行為強度變化曲線中的調整階段中：所述正常行為強度與耐受行為強度之間相互轉化；所述被測魚類行為強度變化曲線中的毒性階段中：正常行為強度為零，所述正常行為強度與耐受行為強度之間不發(fā)生相互轉化。

進一步的，在盛有被測魚類的水體中添加毒性濃度不同的多種壓力源，建立被測魚類在多種環(huán)境壓力下的響應模型。

本發(fā)明還提供了一種基于魚類響應模型的水體質量評估方法，其特征在于：采用上述方法，生成基于環(huán)境壓力的魚類響應模型，將同種魚類放置于未知環(huán)境壓力的水體中，采集所述魚類的行為強度，將所述魚類的行為強度代入所述被測魚類響應模型中，反向求得對應的環(huán)境壓力，根據(jù)環(huán)境壓力評估當前水體質量。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明創(chuàng)新性的將生物體的行為模式數(shù)學化，將復雜的生物體行為以數(shù)學模型的形式表征出來，這是生物行為學研究的一大進步，對于研究人員研究生物體行為提供了一種非常直觀、實用的工具。該模型將生物體行為與外界環(huán)境壓力聯(lián)系在一起，不僅能在給定的環(huán)境壓力下預測生物體的行為強度，更能通過檢測被測生物的行為強度反映出當前的環(huán)境質量，對于在復雜水體中的水質檢測提供了一種新方法。

附圖說明

圖1為魚類壓力行為模式；

圖2為本發(fā)明環(huán)境壓力下的魚類響應模型中行為強度變化曲線。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：

一種基于環(huán)境壓力的魚類響應模型生成方法，包括：

在盛有被測魚類的水體中添加壓力源，同時在所述水體中產生低壓交流電場，被測魚類由于受到壓力源的刺激產生運動行為變化，采集由于運動行為變化引起的所述低壓交流電場的變化；

將所述變化后的電場信號采用模數(shù)轉換方法，表示為以環(huán)境壓力為自變量的行為強度信號；

采集多組被測魚類在所述水體中的行為強度變化曲線；

將所述被測魚類的行為強度變化曲線按照無效應階段和刺激階段、適應階段、調整階段與毒性階段進行分段，建立被測魚類響應模型。

本發(fā)明使用基于四極阻抗與三維示蹤技術的魚類行為監(jiān)測系統(tǒng)采集由于運動行為變化引起的所述低壓交流電場的變化，該系統(tǒng)是通過四個電極，兩兩相對為一組，互通正負電極，在電極之間產生電場，同時電極連接信號處理端，負責采集電場信號變化，當水生生物在電場中運動時，會對電場產生干擾，信號處理端捕捉到變化的電信號，由此實現(xiàn)對水生生物的定位，同步輸出行為強度數(shù)據(jù)。

同步輸出的行為強度數(shù)據(jù)再輸入a/d轉換模塊，該模塊將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的電場信號轉換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，并對采集到的數(shù)字信號進行歸一化量效分析，最終將該數(shù)字信號定義為被測魚類的行為強度bt。

一般的，向水體中添加的壓力源為0-20tu分批次壓力源(此處tu意指毒性單位，1tu的濃度代表相對魚的半數(shù)致死量lc50，相對應的，0.1tu就是半數(shù)致死劑量的10％)。每批次預定采集時間分短期、中期與長期，短期為7天以下，中期為7至14天，長期多至一個月。由于數(shù)據(jù)在兩個維度上(時間t和濃度c)都是正相關關系，我們將時間和濃度統(tǒng)一整合為環(huán)境壓力變量e，即e＝e^t*c隨著時間增加，濃度增加，環(huán)境壓力也相應增加。

本實施例中，被測生物置于行為監(jiān)測傳感器中，配置好多個目標濃度的溶液，以0.1tu，0.5tu，1tu，5tu，10tu，20tu以及空白這7個梯度為例，每個濃度設置4組平行，在傳感器中加入相應溶液，以斑馬魚作為實驗生物，每個傳感器中放入2-5條斑馬魚，溶液在傳感器中為流動形式，保證魚的供氧需求，同時喂食也以水流方式輸送，減小不相干的活動對魚類行為強度的影響。每日保持恒定的日照時間，保證12-20小時日光燈照射。被測生物在傳感器中活動，連續(xù)采集2-7天，對采集到的數(shù)據(jù)進行技術分析。

將所有數(shù)據(jù)以環(huán)境壓力為自變量整合在一起，進行濾波后，優(yōu)選進行卡爾曼濾波，整個數(shù)據(jù)顯示出規(guī)律的趨勢，因為魚類的行為模式歸納為五種，分別是無效應階段和刺激階段，適應階段，調整階段與毒性階段。如圖1所示，由具體的數(shù)據(jù)繪制關于環(huán)境壓力的圖像如圖2所示。

在五種魚類行為響應模型的基礎上，我們依據(jù)細菌的耐受模型，構建出魚類的行為數(shù)學模型。首先將魚類的行為強度bt，分為bn和bp兩部分，其中bn類似于細菌耐受模型中的正常菌株，bp類似于細菌耐受模型中的耐受菌株，然后我們可以假設以下等式

其中gn、gp為行為的轉化比率，an、ap為行為的轉化效率，bn*an就意味著bn以1:an的轉化率轉換為bp，bn*gn意味著gn*100％的bn以1:1的效率轉化為bp，bn*gn*an就意味著有gn*100％的bn以an的轉化率轉換為bp。以該差分方程組的第一個方程式為例，等號左邊是求以環(huán)境壓力為自變量的bn下一階段δe后的數(shù)值，等號右邊第一項bn*gn意味著有多少bn以轉化為bp的形式損失掉，bp*gp*ap意味著有一部分bp轉化為bn補充上，所有這些損失的及補充的再加上第三項的原始的bn的量，即為下一瞬時的bn的量，第二個方程式同理。

當δe無限趨近于0時，該差分方程可以化為微分方程

即連續(xù)狀態(tài)下的行為轉化模型。

要解該微分方程，首先對其提取系數(shù)

如若該微分方程有解，則

解得

其中

ω＝(gn-gp)²+4anapgngp

若將gn，gp，an，ap視作常數(shù)，則該方程可解得

其中α，β為常數(shù)，由bn和bp的初始值決定。

被測魚類的行為強度簡化模型為：

該函數(shù)式表明了決定生物體行為的兩個因素bn和bp在環(huán)境壓力影響下的變化趨勢，由于魚類具有五種不同的行為階段，階段的切換由閾值t決定，當判定行為模型進入下一階段時，相應的會改變該函數(shù)式中的gn和gp值，不同的階段bn和bp具有不同的轉化比率，被測魚類行為強度變化曲線中的無效應階段和刺激階段中：耐受行為強度為零，所述正常行為強度與耐受行為強度之間不發(fā)生相互轉化；在被測魚類行為強度變化曲線中的適應階段中：所述正常行為強度向耐受行為強度進行轉化，耐受行為強度不發(fā)生向正常行為強度的轉化；在被測魚類行為強度變化曲線中的調整階段中：所述正常行為強度與耐受行為強度之間相互轉化；所述被測魚類行為強度變化曲線中的毒性階段中：正常行為強度為零，所述正常行為強度與耐受行為強度之間不發(fā)生相互轉化。

更具體的，在無效應階段和刺激階段，此時生物體內bn起主導作用，由于尚無外界環(huán)境壓力刺激，沒有bn會轉化為bp，所以bp為0，因此在無效應階段和刺激階段中，可以將參數(shù)設置為gnan→0,gpap→0，其中an，ap為非0常數(shù)，可推斷出gn→0,gp→0，且bt≈bn≈0.8

適應階段時，生物體行為強度開始緩慢下降，這其中主要是bn轉化為bp的損失，bp由于數(shù)量過低，不具備向bn轉化的條件，因此此時的參數(shù)設置為gnan＞0,gpap→0，即gn＞0,gp→0

適應階段之后，bp已經達到一定數(shù)量，當行為切換到調整階段時，生物體內會發(fā)生復雜的相互轉化作用，因此此時的總行為強度看起來波動很大，當外界環(huán)境壓力大于閾值時，會有更多的bn轉化為bp，此時的行為總強度bt看起來是下降的，相反的，就會輪到bp占據(jù)優(yōu)勢，當bp轉化為bn時，就會導致總行為強度的上升，而這個切換的開關，就是由閾值決定的。此時參數(shù)設置為gnan＞0,gpap＞0

毒性階段為一個確定的階段，當生物體行為強度小于0.2達到一定時間時，意味著生物不會再進行自我恢復，此時生物體進入毒性階段，bn和bp之間不會再進行任何轉化，兩個因子最終都消亡為0。因此這個階段的參數(shù)設置為gnan→0,gpap→0，由于不發(fā)生任何轉化，但是依然會發(fā)生下降，因此轉化率an→0,ap→0，變化率gn＞0,gp＞0

圖2中橫坐標為環(huán)境壓力，縱坐標為總行為強度，上方m1，m2，m3，m4將整個行為過程分為了無效應階段和刺激階段，適應階段，調整階段，毒性階段。其中m3調整階段中，又分為1-7七個小階段，每個階段中的虛線代表該階段的平均值，顯示出雖然該階段一直在波動中，

但是行為強度整體是下降的，以推導出的魚類響應模型，代入得到的數(shù)據(jù)，可得：

實施例2：

一種基于魚類響應模型的水體質量評估方法，采用上述方法，生成基于環(huán)境壓力的魚類響應模型，將斑馬魚放置于未知環(huán)境壓力的水體中，采用基于四極阻抗與三維示蹤技術的魚類行為監(jiān)測系統(tǒng)采集斑馬魚的行為強度，將斑馬魚的行為強度代入所述上述魚類響應模型中，反向求得對應的環(huán)境壓力，根據(jù)環(huán)境壓力評估當前水體質量。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。