Деятельность связанная с извлечением полезных свойств природной среды для


Онлайн-тесты на oltest.ru: Основы экологического права

Онлайн-тестыТестыЮриспруденция, государство и правоОсновы экологического прававопросы16-30

16. Волеизъявление народа, высказанное в ходе референдума, относительно какого-либо документа, затрагивающего экологические отношения, является:
материальным источником экологического права

17. Воля членов мирового сообщества, направленная на охрану и рациональное использование окружающей природной среды, является:
источниками международных эколого-правовых отношений в материальном смысле

18. Вопросы о наземных источниках загрязнения вод рассмотрены в Конвенции
о защите Черного моря от загрязнения (1992 г.)

19. Всемирный день охраны окружающей среды отмечают:
5 июня

20. Выговор, полученный должностным лицом от администрации предприятия за наблюдение нормативов качества окружающей среды, является:
дисциплинарной ответственностью за экологическое правонарушение

21. Главное место в группе международных договоров политического содержания занимает:
Заключительный акт совещания по безопасности и сотрудничеству в Европе (1975 г.)

22. Государственный комитет РФ по охране окружающей среды, входящий в систему органов государственной власти, относится к:
комплексным государственным органом специальной компетенции

23. Деятельность, связанная с извлечением полезных свойств природной среды для удовлетворения различных интересов человека, называется:
природопользованием

24. Для добычи полезных ископаемых недра предоставляются субъектам предпринимательской деятельности на срок до ...
20 лет

25. Добытые из недр полезные ископаемые и иные ресурсы по условиям лицензии могут находиться в:
федеральной государственной собственности, собственности субъектов РФ, муниципальной, частной и в иных формах собственности

26. Договор об Антарктиде был принят в:
1959 г

27. Единые международные стандарты по предотвращению загрязнения моря всеми видами вредных веществ при эксплуатации судов установила Конвенция
по предотвращению загрязнения с судов (1973 г.)

28. Ежегодные взносы в межгосударственный экологический фонд, созданный на совещании государств Содружества в Минске (1992 г.), составляет от валового национального дохода каждой страны
0,05%

29. Животный мир в пределах территории РФ находится:
в федеральной государственной собственности и собственности субъектов РФ

30. За нарушение законодательства РФ об охране и использовании животного мира устанавливается:
административная, гражданско-правовая и уголовная ответственность



Что такое природные ресурсы? - WorldAtlas

Бенджамин Элиша Саве, 27 августа 2018 г., журнал «Окружающая среда»

Примеры возобновляемых ресурсов.

Природные ресурсы - это компоненты, которые существуют в мире без участия человека. Эти природные ресурсы разнообразны: от возобновляемых до невозобновляемых ресурсов, от живых до неживых ресурсов, от материальных до нематериальных ресурсов.Природные ресурсы необходимы для выживания людей и всех других живых организмов. Все продукты в мире используют в качестве основного компонента природные ресурсы, которыми могут быть вода, воздух, природные химические вещества или энергия. Высокий спрос на природные ресурсы во всем мире привел к их быстрому истощению. В результате большинство стран настаивают на правильном управлении и устойчивом использовании природных ресурсов.

Виды природных ресурсов

Природные ресурсы можно разделить на различные категории, такие как возобновляемые и невозобновляемые ресурсы, биотические и абиотические ресурсы и запасы ресурсов.

Возобновляемые природные ресурсы

Возобновляемые ресурсы - это ресурсы, которые могут естественным образом восстанавливаться после использования. К ним относятся такие ресурсы, как ветер, вода, естественная растительность, солнечная энергия и животные. Эти ресурсы существуют в природе в изобилии. Истощение возобновляемых ресурсов не вызывает особого беспокойства, потому что уровень их производства превышает уровень потребления человеком.Защитники природы во всем мире выступают за использование возобновляемых ресурсов, потому что они легко доступны и менее затратны для окружающей среды.

Невозобновляемые природные ресурсы

Невозобновляемые ресурсы - это компоненты, которые слишком долго восстанавливаются после использования или существуют в ограниченных количествах. Невозобновляемые ресурсы включают такие продукты, как сырая нефть, драгоценные металлы, полезные ископаемые и горные породы.Некоторые животные, находящиеся под угрозой исчезновения, также классифицируются как невозобновляемые ресурсы, потому что уровень их смертности намного превышает уровень их воспроизводства. Эти невозобновляемые ресурсы необходимо защищать и использовать ответственно, чтобы остановить их истощение.

Биотические природные ресурсы

Биотические природные ресурсы - это живые ресурсы, которые естественным образом существуют в окружающей среде.К таким ресурсам относятся леса, дикая природа и ископаемое топливо, которые перечислены как биотические природные ресурсы.

Небиотические природные ресурсы

Небиотические природные ресурсы - это неживые природные продукты в окружающей среде. Эти ресурсы включают воду, камни, металлы и минералы среди многих других.

Запасы природных ресурсов

В мире есть множество ресурсов, некоторые из которых еще предстоит освоить.Людям не хватает навыков и технологий для добычи и использования некоторых природных ресурсов, таких как редкие газы и некоторые радиоактивные материалы. В результате эти ресурсы классифицируются как складские, которые будут использоваться в будущем.

Угрозы природным ресурсам

Большинство природных ресурсов существует в ограниченном количестве. К сожалению, к эксплуатации этих ресурсов привели различные факторы.Некоторые из компонентов подвержены риску истощения. Загрязнение окружающей среды, высокая численность населения, неконтролируемое развитие, изменение климата и современный образ жизни представляют собой некоторые из угроз для природных ресурсов.

Загрязнение окружающей среды

Загрязнение окружающей среды было основной причиной деградации и истощения природных ресурсов. Загрязнение окружающей среды в основном вызывается предприятиями, производящими и использующими химические вещества и пластмассы в своей деятельности.Эти химические вещества проникают в почву и водные системы и изменяют состав ресурсов. Увеличение использования агрессивных химикатов и пластмасс в окружающей среде привело к уничтожению водных организмов.

Высокий уровень населения

Человеческое население мира значительно увеличилось за последние пять десятилетий. По мере увеличения количества людей растет и спрос на природные ресурсы.Люди чрезмерно эксплуатируют ресурсы, такие как вода, сельскохозяйственные земли, полезные ископаемые и дикая природа, что приводит к истощению большинства природных ресурсов в некоторых частях мира. Страны, в которых наблюдается неконтролируемый рост населения, часто оказывают давление на ограниченные природные ресурсы, что приводит к ухудшению состояния окружающей среды.

Неустойчивое развитие

Большинство стран пережили быстрое развитие с созданием новых отраслей и инфраструктуры.Эти проекты развития требуют большого количества ресурсов, таких как земля, энергия, вода и человеческие ресурсы. В некоторых случаях застройка вторгалась в леса или охраняемые земли и приводила к уничтожению значительной растительности и дикой природы. Следовательно, необходимо контролировать разработку, чтобы предотвратить чрезмерное использование ограниченных и находящихся под угрозой исчезновения ресурсов.

Изменение климата

Изменение климата - это реальность в современном мире.Последствиями изменения климата стали чрезмерные наводнения, экстремальные погодные условия, землетрясения и другие бедствия. Эти изменения поставили под угрозу образ жизни многих видов, что привело к исчезновению некоторых. Лесные пожары, вызванные изменением климата, также привели к уничтожению лесов, которые являются ценными природными ресурсами.

Современный образ жизни

Современное общество - самое развитое общество в истории человечества.Из-за развитого образа жизни требуется больше ресурсов, чтобы удовлетворить многочисленные потребности людей. Например, люди потребляют так много энергии через автомобили на дорогах, электронику в домах и во время отдыха. Это увеличенное потребление привело к высокому спросу на ископаемое топливо и производство энергии. Впоследствии эти природные ресурсы были чрезмерно использованы, что привело к их истощению.

Вредные методы ведения сельского хозяйства

Сельскохозяйственная деятельность возросла в большинстве стран из-за увеличения спроса на продукты питания.Некоторые места вырубают леса или используют землю ненадлежащим образом, что приводит к разрушению окружающей среды. Кроме того, известно, что крупные фермы используют агрессивные химикаты без надлежащих методов утилизации. Это приводит к попаданию вредных продуктов в почву и воду. Следовательно, сельскохозяйственная деятельность все чаще приводит к деградации природных ресурсов.

Сохранение природных ресурсов

В 1982 году Организация Объединенных Наций осознала необходимость защиты окружающей среды и сохранения природных ресурсов.Всемирная хартия природы перечисляет меры, которые необходимо принять для предотвращения истощения природных ресурсов. В нем также отмечается важность защиты окружающей среды и необходимость принятия законов по той же теме. Другие организации, такие как Международный союз охраны природы (МСОП) и Всемирный фонд дикой природы (WWF), также выступили лидерами в защите природных ресурсов. Эти организации финансируют научные исследования, такие как биология сохранения, где ученые исследуют способы сохранения природных ресурсов, обнаруженных в окружающей среде.На местном уровне страны создали охраняемые территории для сохранения природных ресурсов от эксплуатации. Защитники природы также поощряют использование возобновляемых природных ресурсов, таких как энергия ветра и солнца, вместо невозобновляемых ресурсов, которые находятся под угрозой исчезновения. Кроме того, в большинстве стран есть государственные департаменты, которые контролируют добычу и использование природных ресурсов. Эти департаменты создают правила управления природными ресурсами, такими как драгоценные металлы, редкие металлы и источники энергии.Они также предоставляют лицензии компаниям, занимающимся добычей и продажей таких ресурсов.

.

11 способов воздействия человека на окружающую среду

Мы, люди, стали зависимыми от предметов роскоши, таких как автомобили, дома и даже наши мобильные телефоны. Но как наша любовь к промышленным изделиям из металла и пластика влияет на окружающую среду? Такие вещи, как чрезмерное потребление, чрезмерный вылов рыбы, вырубка лесов, сильно влияют на наш мир.

Человеческая деятельность может быть напрямую связана с причиной сотен исчезновений за последние два столетия по сравнению с миллионами лет естественного вымирания.По мере того как мы продвигаемся в 21 веке, люди изменили мир беспрецедентным образом.

Влияние человека на окружающую среду стало одной из основных тем для сотрудников университетов во всем мире. Пока они ищут ответ, общественность должна внести свой вклад. По крайней мере, нужно знать обо всех факторах, которые способствуют этому состоянию, и делиться знаниями.

1. Перенаселение

Источник : Diy13 / iStock

Выживание раньше означало повторное заселение.Это, однако, быстро становится верным для противоположного, когда мы достигаем максимальной пропускной способности, которую может выдержать наша планета.

Перенаселение переросло в эпидемию, так как уровень смертности снизился, медицина улучшилась, и были внедрены методы промышленного земледелия, благодаря которым люди выживали намного дольше и увеличивалась общая численность населения.

СМОТРИ ТАКЖЕ: ЧТО ТАКОЕ ПОТЕРЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ И ПОЧЕМУ ЭТО ПРОБЛЕМА?

Последствия перенаселения весьма серьезны, одним из самых серьезных является ухудшение состояния окружающей среды.

Людям требуется много места, будь то сельхозугодья или предприятия, которые также занимают много места. Увеличение численности населения приводит к более сплошным рубкам, что приводит к серьезному повреждению экосистем. Без достаточного количества деревьев для фильтрации воздуха уровни CO₂ возрастают, что может нанести ущерб каждому отдельному организму на Земле.

Еще одна проблема - наша зависимость от угля и ископаемого топлива для получения энергии. Чем больше население, тем больше ископаемого топлива будет использоваться. Использование ископаемого топлива (например, нефти и угля) приводит к выбросу в атмосферу большого количества углекислого газа, что угрожает исчезновению тысяч видов, что усиливает эффект, который имеет истощение лесов уже .

Человечеству постоянно требуется больше места, что разрушает экосистемы и увеличивает уровни CO₂, еще больше разрушая хрупкую окружающую среду. Хотя обработанные материалы необходимы для снабжения городов энергией, предыдущая оценка говорит нам, что планета может нести такой большой ущерб, пока не начнет наносить ущерб нам.

2. Загрязнение

Источник: zeljkosantrac / iStock

Загрязнение повсюду. От мусора, выброшенного на автостраде, до миллионов метрических тонн загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу каждый год , очевидно, загрязнения и отходы неизбежны.

Загрязнение настолько велико, что на сегодняшний день 2,4 миллиарда человек не имеют доступа к источникам чистой воды. Человечество постоянно загрязняет такие незаменимые ресурсы, как воздух, вода и почва, восполнение которых требует миллионов лет.

Воздух, вероятно, является наиболее загрязненным, при этом только в США ежегодно производится 147 миллионов метрических тонн загрязняющих веществ в воздухе.

В 1950 году смог в Лос-Анджелесе был настолько сильным, что приземный озон (атмосферный газ, которого много в атмосфере, а не на земле) превышал 500 частей на миллиард объема (ppbv) - намного выше национального уровня атмосферного воздуха. Стандарт качества 75 ppbv (6.В 6 раз больше, если быть точным).

Люди думали, что они подверглись нападению со стороны иностранцев, поскольку смог обжег им глаза и оставил в воздухе запах отбеливателя. Именно тогда было обнаружено разрушительное действие аэрозолей.

В то время как качество воздуха в США немного улучшилось, качество воздуха в развивающихся странах продолжает падать, поскольку смог постоянно закрывает солнце плотной пеленой загрязнения. Это лишь один из вопросов, который нам предстоит решить в ближайшем будущем.

3. Глобальное потепление

Глобальное потепление, возможно, является самой большой причиной воздействия на окружающую среду.Самая большая из причин связана с уровнем CO₂ от дыхания до более пагубных причин, таких как сжигание ископаемого топлива и вырубка лесов.

В любом случае, люди постоянно повышают уровень CO₂ во всем мире - каждый год . Наивысший уровень CO₂ в истории человечества до 1950 г. составлял около 300 частей на миллион . Однако текущие измерения уровней CO₂ превысили 400 ч / млн, аннулировав все записи, датируемые 400000 лет .

Увеличение выбросов CO₂ способствовало повышению средней температуры планеты почти на целый градус.

По мере повышения температуры арктический наземный лед и ледники тают, что вызывает повышение уровня океана со скоростью 3,42 мм в год, позволяя большему количеству воды поглощать больше тепла, что тает больше льда, создавая петлю положительной обратной связи , которая вызовет повышение уровня Мирового океана на 1-4 фута к 2100 .

Так в чем же дело?

4. Изменение климата

Источник: Sepp / iStock

Изменение климата тесно связано с историческим развитием промышленности и технологий.По мере повышения глобальных температур погодные условия на Земле резко изменятся. В то время как некоторые области будут испытывать более длительный вегетационный период, другие станут бесплодными пустошами, поскольку вода истощит на обширных территориях, превратив некогда цветочные регионы в пустыни.

Это увеличение повлияет на погодные условия, обещая более сильные ураганы как по размеру, так и по частоте, а также к усилению и продлению засух и волн тепла. Но загрязнение воздуха влияет не только на окружающую среду.

Растет количество свидетельств того, что плохое качество воздуха и повышение температуры разрушают хрупкие экосистемы, что даже приводит к увеличению заболеваемости астмой и раком у людей.

5. Генетическая модификация

Источник : simarik / iStock

Генетически модифицированные организмы (ГМО) вносят основной вклад в выживание и процветание людей. ГМО - это отобранные выведенные культуры или культуры, в которые непосредственно имплантирована ДНК, чтобы дать урожаю преимущество, будь то поддержание более низких температур, меньшее количество воды или получение большего количества продукции.

Но ГМО не всегда преднамеренно. В течение многих лет люди использовали глифосат, гербицид, предназначенный для уничтожения сорняков - самой большой угрозы для любого растения. Однако так же, как у людей есть обучающаяся иммунная система, некоторые сорняки выработали устойчивость к 22 из 25 известных гербицидов, при этом 249 видов сорняков полностью невосприимчивы, согласно последнему научному отчету.

«Суперсорняки» угрожают сельскохозяйственным угодьям, заглушая обнажения. Одно из единственных решений - обрабатывать землю, переворачивать почву, чтобы убить сорняки и дать раннее преимущество посевным культурам.

Недостатком обработки почвы является то, что она ускоряет высыхание почвы и убивает полезные бактерии, что значительно сокращает продолжительность ее плодородной жизни. Для восполнения истощенной почвы используются удобрения, которые создают совершенно новый набор проблем для окружающей среды и могут иметь катастрофические последствия для местного сельского хозяйства в долгосрочной перспективе.

6. Подкисление океана

возникает, когда CO₂ растворяется в океане, связываясь с морской водой, образуя углекислоту.Кислота снижает уровень pH в воде, существенно изменив кислотность океана на 30% согласно анализу за последние 200 лет - уровень, на котором океан не был более 20 миллионов лет.

Кислотность снижает концентрацию кальция, из-за чего ракообразным трудно строить свой панцирь, что делает их уязвимыми без брони. Ученые говорят, что из-за повышения глобальной температуры на один градус и закисления океана четверть всех коралловых рифов считаются поврежденными и не подлежат восстановлению, а две трети находятся под серьезной угрозой.Гибель коралловых рифов вызывает серьезную озабоченность.

Коралловые рифы являются домом для 25% водных организмов , многие из которых отвечают за естественную фильтрацию океана и производство необходимых питательных веществ, жизненно важных для жизни под водой. Однако подкисление - не единственная водная угроза, поскольку есть другие виды деятельности человека, вызывающие серьезные изменения. Такие вещи, как загрязнение пластиковыми отходами и чрезмерный вылов рыбы, наносят ущерб нашим океанам.

7. Загрязнение воды

Всего 5.25 триллионов кусков пластикового мусора в океане. В океаны попадает не только мусор, но и чрезмерное количество удобрений, которые попадают в океан из-за дождей, наводнений, ветров или сбрасываются в избытке прямо в крупнейшего производителя кислорода, который у нас есть.

Удобрение содержит азот, элемент, необходимый для роста растений, но это не ограничивает его предназначение.

Фитопланктон и водоросли питаются азотом, вызывая чрезмерный рост так называемых «красных приливов» или «коричневых приливов» в районах с высокой концентрацией азота.Коричневый прилив вызван быстрым ростом миллиардов водорослей, которые истощают водоемы кислородом и заставляют отравить все живое, которое его потребляет, включая рыбу и птиц. Но на этом загрязнение воды не заканчивается.

Год за годом миллионы тонн мусора выбрасываются в океан. Поскольку мусор в основном состоит из пластика, он не растворяется. Мусор накапливается в больших водоворотах через океан.

Морские обитатели, в том числе морские черепахи, обманываются, заставляя думать, что они едят пищу, хотя на самом деле это только плавающий пластиковый пакет или другой ядовитый пластик, который может вызвать голод или удушье для любого несчастного животного, которое по ошибке его проглотит.

8. Перелов

Загрязнение является угрозой номер один для всех водных организмов и основной причиной сокращения биоразнообразия. Это действительно печально, учитывая, что вода и водные формы жизни являются одними из самых важных природных ресурсов, имеющихся в нашем распоряжении. Но, как упоминалось выше, чрезмерный вылов рыбы также наносит ущерб нашим океанам.

Рыбалка по своей природе неплоха для нашего океана. Но без надлежащего регулирования это может нанести ущерб нашим океанам и людям. Мировые запасы перелова выросли втрое за полвека, и сегодня, по данным Всемирного фонда дикой природы, сегодня полностью треть оцененных мировых промыслов выходит за пределы своих биологических пределов.Тем более, что миллиарды людей полагаются на рыбу как на белок.

9. Вырубка лесов

Источник: luoman / iStock

По мере экспоненциального роста численности людей, с огромными темпами производится больше продуктов питания, материалов и жилья, в основном за счет лесного хозяйства.

Леса расчищены, чтобы освободить место для новых людей, что, в свою очередь, производит больше людей, вы можете видеть проблему. Согласно международным данным, ежегодно вырубается около 18 миллионов акров деревьев, чтобы освободить место для новых разработок и изделий из древесины, что составляет чуть менее половины всех деревьев на планете с начала промышленной революции.

Поскольку деревья являются одними из крупнейших производителей кислорода, очевидно, что это не очень хорошо для людей, и особенно для животных, которые считают лес своим домом.

Из-за того, что в лесах обитают миллионы различных видов, обезлесение является серьезной угрозой их выживанию и серьезной проблемой сохранения. Это также увеличивает выбросы парниковых газов в атмосферу, что приводит к дальнейшему глобальному потеплению. Если мы хотим выжить, такую ​​человеческую деятельность необходимо прекратить. Более того, недавние исследования связывают вырубку лесов с увеличением лесных пожаров в таких областях, как Амазонка.Лесные пожары в равной степени разрушаются, даже в большей степени, вытесняя как людей, так и целые виды.

10. Кислотный дождь

Когда люди сжигают уголь, диоксид серы и оксиды азота выбрасываются в атмосферу, где они поднимаются и накапливаются в облаках, пока облака не станут насыщенными, а дождь станет кислотным, вызывая разрушения на земле под ними.

Когда идет дождь, он накапливается в водоемах, которые особенно опасны для озер и малых водоемов. Земля вокруг воды впитывает кислоту, истощая почву необходимыми питательными веществами.На деревьях, поглощающих кислоту, накапливаются токсины, которые повреждают листья и медленно убивают большие участки леса.

Кислотные дожди, как известно, полностью уничтожают целые виды рыб, вызывая эффект снежного кома, наносящий ущерб экосистеме, которая зависит от различных организмов для поддержания окружающей среды.

11. Разрушение озона

Источник: nito100 / iStock

Озоновый слой известен своей способностью поглощать вредные ультрафиолетовые лучи, которые в противном случае были бы вредны для здоровья всех слоев общества.Без озонового слоя ходить на улицу было бы невыносимо.

Озон состоит из трех связанных атомов кислорода, которые всплывают в стратосферу, где они поглощают значительное количество УФ-излучения, защищая все живое внизу. Однако «озоноразрушающие вещества» (или ОРВ), в основном состоящие из хлора и брома, попадают в стратосферу, где они лишают O3 кислорода, разрушая его способность поглощать УФ-свет.

Воздействие человека разрушительно для растений, чрезвычайно чувствительных к УФ-излучению, включая пшеницу и ячмень, две незаменимые культуры для человека.

Хотя большинство химикатов, разрушающих озоновый слой, были запрещены, химическим веществам, которые уже были выпущены, может потребоваться более 80 лет , чтобы достичь верхних слоев атмосферы, так что пройдет некоторое время, прежде чем наша защитная граница снова станет полностью функциональной. . А пока нанеси солнцезащитный крем и будь там в безопасности.

В будущее

Крайне важно, чтобы мы поддерживали землю, на которой мы живем, но, несмотря ни на что, земля будет жить. Человек влияет на естественную среду обитания по-разному, и мы должны осознавать свой личный вклад в окружающую среду.

Будем мы жить с этим или нет, зависит исключительно от решений и действий, которые мы предпримем дальше. Мать-природа - неумолимая, неумолимая сила, поэтому, вероятно, будет лучше, если мы будем хорошо относиться к ней, и, возможно, просто, может быть, мы сможем компенсировать ущерб, который уже был нанесен.

Лучшее время для действий было вчера, лучшее, что мы можем сделать, - это сегодня, но если мы будем ждать завтра, может быть уже слишком поздно. Общество должно помочь себе, чтобы выжить.

Чтобы узнать больше о нашей окружающей среде, обязательно загляните сюда.

.

Характеристика, приготовление и очистка морских биоактивных пептидов

Морские биоактивные пептиды как источник уникальных биоактивных соединений находятся в центре внимания текущих исследований. Они выполняют различные биологические роли, одними из наиболее важных из которых являются антиоксидантная активность, антимикробная активность, противоопухолевая активность, антигипертензивная активность, противовоспалительная активность и т.д., а также описаны специфические характеристики биоактивности. В этом обзоре также описаны различные технологии производства морских биоактивных пептидов с использованием органического синтеза, экстракции с помощью микроволнового излучения, химического гидролиза и гидролиза ферментов.Наконец, описывается очистка морских биоактивных пептидов, включая гель-хроматографию или эксклюзионную хроматографию, ионообменную колоночную хроматографию и высокоэффективную жидкостную хроматографию с обращенной фазой, которые направлены на поиск быстрого, простого и эффективного метода получения целевого объекта. пептиды.

1. Введение

Океаны занимают более 70% поверхности Земли и являются богатым природным ресурсом для многих биологически активных соединений в таких организмах, как рыба, моллюски, моллюски, двустворчатые моллюски, головоногие моллюски, ракообразные и иглокожие, которые вносят значительный вклад в развитие экономическое и научное развитие [1, 2].Поскольку морские организмы живут в сложных средах обитания и подвергаются воздействию экстремальных условий, таких как соленость, давление, температура и освещение, они производят широкий спектр вторичных метаболитов, которые нельзя найти где-либо еще [2]. Кроме того, морские организмы также имеют особую структуру и составляют почти половину мирового биоразнообразия, включая антиоксидантную активность, антимикробную активность, противораковую активность, гипотензивную активность, противовоспалительную активность и т. Д. [3].

Как правило, биоактивные пептиды часто имеют от 3 до 20 аминокислотных остатков, и их биологическая активность зависит от их аминокислотного состава и последовательности [4]. В последнее время большое внимание уделяется раскрытию структурных, композиционных и последовательных свойств биоактивных пептидов [3]. В этом обзоре освещаются характеристики морских пептидов с биологической активностью, а также получение и очистка таких пептидов.

2. Морские пептиды с различной биоактивностью

Многие морские организмы подвергаются более экстремальным условиям, чем на суше, что заставляет морские биоактивные пептиды существенно отличаться по аминокислотному составу и последовательностям от наземных биоактивных пептидов; кроме того, виды и количество морских биоактивных пептидов больше, чем у наземных биоактивных пептидов.Более того, морские биоактивные пептиды можно получить от различных морских животных, растений и низших организмов. Каждый из них уникален как вид, учитывая его большое таксономическое разнообразие и особые характеристики, морские биоактивные пептиды имеют лучшую биологическую активность в некоторых областях, чем наземные биоактивные пептиды.

2.1. Антиоксидантные пептиды

Окисление является важной реакцией во всех живых организмах, поскольку образование свободных радикалов и других активных форм кислорода (АФК) играет важную роль в передаче сигнала [5].Однако избыток свободных радикалов может вызывать многие заболевания человека, такие как болезни сердца, инсульты, артериосклероз, диабет и рак [6]. Антиоксиданты - это соединения, которые могут ингибировать кислородзависимое окисление липидов, обычно путем улавливания и нейтрализации свободных радикалов [7]. Кроме того, синтетические антиоксиданты, такие как бутилированный гидроксианизол (BHA) и бутилированный гидрокситолуол (BHT), имеют долгосрочные проблемы безопасности и негативное восприятие потребителями [8]. По этим причинам в последнее время возрос спрос на натуральные антиоксиданты.

По сравнению с земной средой, морские организмы живут в сложных средах обитания и подвергаются экстремальным условиям; таким образом, некоторые из них обладают более высокой антиоксидантной активностью. В последние годы было обнаружено множество антиоксидантных пептидов морских организмов, например пептиды из Hoki (Johnius belengerii) frame [9], Mackerel (Pneumatophorus japonicus) [10], Mussel (Perna canaliculus) мышц [ 11], Croaker (Otolithes ruber) [12], Tuna backbone [13] и Prawn (Penaeus japonicus) [14], и эти пептиды проявляют значительную активность по улавливанию свободных радикалов (Таблица 1).Более того, каждый год значительная часть общего улова выбрасывается [15], что приводит к загрязнению окружающей среды и расточительству ресурсов. Поэтому многие исследователи использовали побочные продукты из морепродуктов для получения антиоксидантных пептидов, таких как побочные продукты Sardinelle (Sardinella aurita) [16], Abalone (Haliotis Discus hannai Ino) внутренностей [17], кожа Nile Tilapia [18], Jumbo Squid (Dosidicus gigas) кожа [19] и так далее, и, таким образом, эти исследования повышали ценность использования морских организмов.

Первичный TFCGRH- 9 0038 Позвоночник benger Са-связка 900 44 V L

Общее название Научное название Происхождение Биологическая активность Последовательность пептидов Ссылка

Хоки Johnius belengerii Рама Антиоксидант ESTVPERTHPACPDFN [9]
Скумбрия Pneumatophorus japonicus Мышца Антиоксидант - Мышца Мышца Антиоксидант KGYSSYICDK, SSYCIVKICDK [11]
Croaker Otolithes ruber Мышца Антиоксидант KTFCGRH
KTFCGRH [12] Антиоксидант VKAGFAWTANQQLS [13]
Креветка Penaeus japonicus Мышца Антиоксидант IKK, FKK43, FIKK
[14] Sardinella aurita Мышцы Антиоксидант LHT, LAAL, GGG, GAH, GATA, PHTL, GALAAH [16]
Jumbo Squid Dosidicus gigas Кожа 900L Gigas F 900 43 43 938 Кожа 900L , NGPLQAGQPGER [19]
Морской огурец Acaudina molpadioides Все тело Ингибитор АПФ MEGAQEAQGD [31]
Тунец - GDLGKTTTVSNWSPPKYKDTP [32]
Подошва 900 43 Limanda aspera Рама Антигипертензивное средство MIFPGAGGPEL [33]
Blue Mussel Mytilus edulis Все тело Ингибирующее АСЕ EVMAGNLYP] 900
Креветки - Ферментированный продукт Ингибитор АПФ SV, IF, WP [35]
Креветки Plesionika izumiae Omori Целые креветки Антигипертензивные [36]
Аляска Поллак Халькограмма Терагра Рамка Ингибирующий АПФ FGASTRGA [37]
Аляска Поллак Кожа Терагра ACE 43 900 Кожа ингибирующий GPL, GPM [38]
Тунец - Рама Ингибитор АПФ GDLGKTTTVSNWSPPKYKDTP [32]
Акула - Мясо Ингибитор АПФ CF, EY43, MF [39] ]
Oyster Crassostrea gigas Мышцы Анти-ВИЧ LLEYSL, LLEYSI [40]
Желтый сом Pelteobagrus fulvidraco Кожа слизистая оболочка Кожа GKLNLFLSRLEILKLFVGAL [41]
Морская улитка Cenchritis muricatus Все тело Противогрибковое SRSELIVHQR [42] [42]
Hoki ВЛСГГТТМЯСЛЯЕ [43]
Alaska Pollack Халькограмма Theragra Основа Са-связка VLSGGTTMAMYTLV [44]
Yellowfin Sole Limanda aspera TDI Рама Antag ]
Spirulina Maxima - Все тело Антиатеросклеротический LDAVNR, MMLDF [46]
Blue Mussel Mytilus edulis EGM Anticoag EGEFQAM [47]
Oyster Crassostrea gigas Мышцы Противоопухолевые - [48]
Тунец Thunnus Tonggol Мышцы Антипролиферация PTAEGGVY MVT [49]
Pacific Whiting Merluccius productus Все тело Иммуномодулирующее - [50]
Водоросли Pyropia yezoensis Все тело Противовоспалительное - [51]
Salmo Oncorhynchus keta Кожа Противодиабетическое - [52]
Коричневые креветки Penaeus aztecus Голова Против ожирения - [53]

Измерение антиоксидантной активности является важным методом скрининга.Используются некоторые химические методы, включая снижение мощности, активность по улавливанию гидроксильных радикалов, активность по улавливанию супероксид-анион-радикалов, улавливание активных форм кислорода и ингибирование перекисного окисления липидов [20–23]. Несмотря на широкое использование этих химических анализов антиоксидантной активности, ни один из них не учитывает биодоступность, захват и механизм действия антиоксидантных соединений [24]. В последние годы модели клеточных культур предлагают подход, который является рентабельным и относительно быстрым и может объяснить метаболические проблемы [25].Один из подходов состоит в использовании клеточного антиоксидантного статуса, измеренного с помощью анализа метилтиазолилтетразолия, и защиты клеток HepG2 от цитотоксичности, индуцированной H 2 O 2 [26, 27]. Однако, поскольку концентрация H 2 O 2 не ясна, этот метод должен иметь предварительный эксперимент. Другой анализ эффективной клеточной антиоксидантной активности (CAA) также связан с клетками HepG2 [25, 28], и анализ CAA считается лучшим индикатором активности in vivo по сравнению с анализами in vitro , поскольку он включает воздействие антиоксиданты до сложных биологических субстратов в физиологических условиях [29].Безусловно, лучшие антиоксидантные анализы взяты из исследований на животных и людей [30], но они дороги, требуют много времени и не подходят для первоначального скрининга [24]. Другими словами, хотя существует множество методов, используемых для тестирования антиоксидантов, утвержденных стандартизированных методов не существует.

2.2. Пептиды, ингибирующие ангиотензин-I-превращающий фермент (АПФ)

Гипертензия - одно из наиболее распространенных сердечно-сосудистых заболеваний во всем мире [54]. Приблизительно 54% ​​инсультов, 47% ишемической болезни сердца, 75% гипертонической болезни и 25% других сердечно-сосудистых заболеваний во всем мире были связаны с высоким кровяным давлением [55].Среди процессов, связанных с гипертонией, важную роль в регуляции артериального давления играет ангиотензин-I-превращающий фермент (АПФ). АПФ может катализировать превращение ангиотензина I в ангиотензин II, а ангиотензин II является сильнодействующим вазоконстриктором, который увеличивает периферическое сосудистое сопротивление и, следовательно, повышает артериальное давление [56, 57]. Поэтому при разработке лекарств для контроля высокого кровяного давления ингибиторы АПФ и блокаторы рецепторов ангиотензина теперь используются в клинической практике для лечения различных сердечно-сосудистых заболеваний [58].Однако считается, что синтетические препараты, такие как каптоприл, лизиноприл и эналаприл [59], обладают определенными побочными эффектами, такими как кашель, кожная сыпь, потеря вкуса или ангионевротический отек [60, 61]. Из-за этих неблагоприятных побочных эффектов существует тенденция к развитию естественных ингибиторов АПФ.

В последние годы природные пептиды с активностью ингибирования АПФ были получены из различных морских организмов, таких как зеленые водоросли [62], морской огурец (Acaudina molpadioides) [31], тунец [32], Sole (Limanda aspera). [33], голубые мидии (Mytilus edulis) [34], гигантские кальмары (Dosidicus gigas) [63], устрицы (Crassostrea gigas) [64] и креветки [35, 36].Кроме того, рыба является источником многочисленных биоактивных пептидов с ингибирующей активностью в отношении АПФ, включая Alaska Pollack (Theragra chalcogramma) рамка [37] и кожа [38], рыба камбала (Paralichthys olivaceus) [65], тунец [32], Акула [39] и треска (Gadus morhua) [66]. Морские организмы могут стать важным источником белка для выбора новых ингибиторов АПФ (Таблица 1).

На сегодняшний день наиболее часто используемый метод определения ингибирующей активности АПФ оценивается с помощью графиков Лайнуивера-Берка [56].Кроме того, существует множество методов оценки ингибирующей активности АПФ in vitro , такие как спектрофотометрический, флуориметрический, радиохимический, высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) и капиллярный электрофорез (КЭ) [67, 68]. Однако спектрофотометрический анализ сложен и требует много времени; флуорометрический анализ дорог, но прост и автоматизирован [69]; радиохимический анализ небезопасен, требует много времени и специального оборудования [70]. Анализ ВЭЖХ имеет высокую чувствительность и короткое время работы, в то время как по сравнению с методами, упомянутыми выше, анализ CE оказался более быстрым и автоматизированным и требует меньше образцов, субстратов и реагентов, что предполагает, что метод CE более эффективен. подходит для высокопроизводительного скрининга пептидов с активностью ингибирования АПФ [54].Кроме того, после идентификации пептида , ингибирующего АПФ, in vitro эффект in vivo не обязательно присутствует. Таким образом, необходимо провести исследований in vivo, на животных с использованием моделей животных, а анализ in vivo ингибирующей активности АПФ обычно проводят путем измерения реакции артериального давления у крыс со спонтанной гипертензией после внутривенной инъекции или перорального введения [71]. Однако анализы in vivo дороги, трудоемки и сложны.В заключение, желательно создание простого, быстрого, чувствительного и надежного анализа ингибирования.

2.3. Противомикробные пептиды

Обнаружение широкого распространения антимикробных пептидов (AMP) за последние 20 лет дало представление о врожденных защитных системах, которые позволяют использовать многоклеточные организмы [72], а AMP считаются очень важными иммунными эффекторами, которые развились благодаря положительный отбор [73]. В последнее время большое внимание уделяется биологически активным пептидам морского происхождения из-за их особой среды обитания, составов и свойств.Морские организмы находятся в тесном контакте с микробами и являются огромным источником AMP. Кроме того, в гаванях с морской водой открытого океана содержится 106 бактериальных и 103 грибковых клеток на миллилитр, и большинство морских организмов являются хозяевами определенных популяций микробов на своей поверхности или в пределах их тканей [74]. Как указывалось ранее, в этом разделе представлены несколько натуральных продуктов морского происхождения, обладающих значительными антимикробными свойствами. В последние годы исследователи выделили АМП из атлантической трески (Gadus morhua) [75], грязевого краба (Scylla paramamosain) [76], Oyster (Crassostrea gigas) [40], желтого сома (Pelteobagrus fulvidraco ) [41], Губка (Trichoderma sp.) [77] и морская улитка (Cenchritis muricatus) [42], а АМП из морских организмов обладают безопасными, естественными, недорогими и высокими биологическими свойствами (таблица 1). Кроме того, использовалось несколько методов тестирования антимикробной активности гидролизатов или пептидов. Например, анализ диффузии в агаре является распространенным методом, используемым для проверки антимикробной активности пептидов [78, 79]. Этот метод определяет способность антибиотиков подавлять рост бактерий [80]. Метод диффузии в агар обычно используется для определения минимальной ингибирующей концентрации в твердых средах [81].Кроме того, существуют некоторые другие анализы для оценки антимикробной активности, такие как дисковый диффузионный анализ [82], разведение в бульоне [83], высокопроизводительный флуоресцентный скрининговый анализ [84] и так далее. Растущая проблема устойчивости к обычным антибиотикам и потребность в новых антибиотиках стимулировали интерес к разработке антимикробных пептидов в качестве терапевтических средств для человека [72].

2.4. Другие биоактивные пептиды

Пептиды морских организмов также проявляют другие биоактивности, такие как связывание кальция, антикоагулянт, противоопухолевое, сердечно-сосудистое защитное, иммуномодулирующее, нейропротекторное, противодиабетическое и подавляющее аппетит активность [85, 86].

Есть много исследований по вышеуказанной биологической активности; например, Юнг и Ким [43] получили пептид из кости Hoki (Johnius belengerii) , демонстрирующий значительную Са-связывающую активность, и эту кость можно было использовать в нутрицевтиках с высокой биодоступностью кальция. Юнг и др. [44] также обнаружили низкомолекулярный пептид с высоким сродством к кальцию из скелета Alaska Pollack (Theragra chalcogramma) , который позволяет использовать скелет рыбы в нутрицевтике.Кроме того, поскольку сердечно-сосудистые заболевания считаются основной причиной смерти во всем мире, некоторые исследователи выделили пептиды, защищающие сердечно-сосудистую систему от Yellowfin Sole (Limanda aspera) [45], Spirulina Maxima [46], Blue Mussel (Mytilus edulis) [ 47] и других морских организмов (табл. 1).

В последние годы также наблюдается тенденция к изучению гидролизатов белков морских организмов, которые используются в качестве противоопухолевых средств [87]. Например, Wang et al. [48] ​​изучали противоопухолевую активность гидролизатов Oyster (Crassostrea gigas) у мышей BALB / c и обнаружили, что пролиферация лимфоцитов в селезенке и фагоцитарная скорость макрофагов у мышей, несущих S180, значительно увеличивались после введения гидролизатов устриц. .Hsu et al. [49] исследовали антипролиферативную активность пептидов из мышечного побочного продукта Tuna Dark (Thunnus tanggol) , и результаты показали, что пептидная фракция с диапазоном молекулярных масс от 390 до 1400 Да обладает наибольшей антипролиферативной активностью. Alemán et al. [88] доказали, что гидролизаты желатина гигантских кальмаров продемонстрировали цитотоксическое действие in vitro и на раковые клетки со значениями IC50 0,13 и 0,10 мг / мл для клеточных линий MCF-7 (карцинома груди человека) и U87 (глиома) соответственно. .Кроме того, действие иммуномодулирующих пептидов может быть связано с повышенной активностью макрофагов и пролиферацией лимфоцитов. Некоторые исследователи обнаружили, что фагоцитарная активность перитонеальных макрофагов усиливается после приема концентрата рыбьего белка из Pacific Whiting (Merluccius productus) в дозе 0,3 мг / мл в течение 7 дней [50]. Ян и др. [89] изучали иммуномодулирующие эффекты морского олигопептида из гидролизата кеты, и, по сравнению с контрольной группой, гидролизат лосося мог значительно увеличить способность к пролиферации лимфоцитов.Кроме того, как часть нашей врожденной иммунной системы, воспаление является одним из наиболее общих ответов, но считается, что неконтролируемое воспаление играет решающую роль в патогенезе различных заболеваний [90], и наблюдается заметный рост фармакологических исследований антибиотиков. -воспалительные морские биомолекулы в последние годы. Также описаны новые биоактивные пептиды губок [91], водорослей (Pyropia yezoensis) [51], бурых морских водорослей [92] и морских ушек [93], а также их фармакологические эффекты в отношении противовоспалительного действия.

Кроме того, были исследованы некоторые другие биоактивные пептиды морских организмов. Ли и др. [94] исследовали противодиабетический эффект и механизм продукта из морских водорослей ( I. foliacea ) на мышах C57BL / KsJ-db / db и обнаружили, что уровни глюкозы в крови после приема пищи были значительно ниже, чем в контрольной группе. Zhu et al. [52] также обнаружили, что олигопептиды из кожи морского Salmo (Oncorhynchus keta) могут значительно снижать уровень глюкозы в крови натощак у диабетических крыс, и пришли к выводу, что противодиабетическая активность может быть опосредована подавлением окислительного стресса и воспаления, связанных с СД2.Более того, поскольку ожирение стало серьезной проблемой общественного здравоохранения во всем мире, было обнаружено, что некоторые морские пептиды обладают активностью против ожирения, например, морские водоросли [95], треска [96], путассу (Micromesistius poutassou) , коричневые креветки (Penaeus aztecus) [53] и другие морские организмы [97]. Хотя морские организмы составляют примерно половину всего глобального биоразнообразия и существует ряд исследований для доказательства биологических эффектов с использованием экспериментов in vitro, или животных моделей, сейчас важно использовать испытания вмешательства человека для изучения биологических эффектов и их воздействия. механизмы более подробно [86, 98].

3. Получение морских биоактивных пептидов

Биоактивные пептиды различались в зависимости от их вида, аминокислотного состава и последовательности, и их можно получить разными методами. Кроме того, некоторые методы также влияют на биологическую активность пептидов [99].

3.1. Органический синтез

С развитием технологий и методологий для выяснения структуры органический синтез все чаще применяется к морским натуральным продуктам [100].Из-за их особой биоактивности морские природные продукты дали значительное количество кандидатов в лекарственные средства, от простых пептидов до циклических пептидов, и органический синтез всегда используется для пакетирования синтетических целевых пептидов из-за низкой степени очистки [101]. В рамках органического синтеза обычно выбирается метод твердофазного синтеза с использованием ряда растворителей и методов синтеза для получения целевых пептидов, а крупнозернистый продукт идентифицируется масс-спектрометрией, чтобы проверить, соответствует ли он теоретической молекулярной массе.Его дальнейшая биологическая активность также будет проверена. Органический синтез позволит реализовать производство целевых пептидов в больших объемах. Однако метод органического синтеза трудоемок, дорог и экологически вреден. Этот метод также требует целевых пептидов с четкой последовательностью. Затем исследователи должны определить состав пептидов, используя ряд технологий выделения и очистки, и, таким образом, предпочтительны более эффективные методы экстракции.

3.2. Экстракция с помощью микроволнового излучения

В последнее десятилетие экстракция с помощью микроволн успешно применялась для экстракции множества биологически активных соединений из самых разных природных ресурсов [102, 103]. Этот метод включает использование электромагнитного излучения с частотой от 300 МГц до 300 ГГц для нагрева растворителей в контакте с образцом для отделения представляющих интерес соединений от матрицы образца [104]. Сообщается, что этот метод увеличивает выход экстракции биологически активных соединений из различных матриц по сравнению с традиционной твердожидкостной экстракцией [105].Механизм экстракции с помощью микроволнового излучения заключается в межмолекулярном и внутримолекулярном трении, а также в движении и столкновении очень большого количества заряженных ионов, вызывающих быстрый нагрев реакционной системы и приводящих к разрушению клеточных стенок, а также мембран [ 106]. Хотя использование экстракции с помощью микроволнового излучения может привести к деградации биоактивных углеводов из-за локальной высокой температуры [107], имеется много сообщений об извлечении биоактивных материалов из морских организмов с помощью экстракции с помощью микроволнового излучения.Например, некоторые исследователи применили метод экстракции с помощью микроволнового излучения для тканей рыб [108], Oysters [109] и Shrimp [110], а также кислотный гидролиз белков с помощью микроволнового излучения для массового картирования пептидов и тандемного масс-спектрометрического анализа пептидов. сообщил [111].

Кроме того, микроволновая технология подходит для разложения особых организмов, таких как водоросли, клетки которых окружены динамичной, сложной и богатой углеводами клеточной стенкой, что делает разрушение клеточных стенок особенно важным [112 ].Например, некоторые исследователи изучали антиоксидантную способность сульфатированных полисахаридов из бурых морских водорослей [113, 114], используя микроволновую экстракцию при различных давлениях, времени экстракции и соотношении водоросли / вода, и эти исследования показали, что микроволновая экстракция является эффективной технологией . Более того, методы механического разрушения также очень полезны для разрушения известковых и кремнистых скелетов некоторых твердых губок [106].

Как правило, с помощью этого метода соединения экстрагируются более избирательно и быстрее, с аналогичными или лучшими выходами по сравнению с традиционными процессами экстракции.Между тем, этот метод также требует меньше энергии и объема растворителя, снижает затраты и является более экологически безопасным, чем традиционные процессы экстракции [115].

3.3. Химический гидролиз

Химический гидролиз белков достигается расщеплением пептидных связей кислотой или щелочью. Этот метод широко использовался в прошлом в промышленности, поскольку он недорог и прост в использовании. Однако эта технология имеет много ограничивающих факторов, таких как сложность процесса контроля и тенденция к получению модифицированных аминокислот [98] и получение продуктов с переменным химическим составом и функциональными свойствами.Кислотный гидролиз - важная химическая модификация, способная существенно изменить структуру и функциональные свойства пептидов [116]. Кислотный гидролиз предпочтительнее других видов предварительной обработки из-за его низкой стоимости и эффективности [117]. Наиболее распространенный тип разбавленной кислоты - серная кислота (H 2

.

Обзор разработок и приложений

Индексы растительности (VI), полученные на основе данных дистанционного зондирования, представляют собой довольно простые и эффективные алгоритмы для количественной и качественной оценки растительного покрова, силы роста и динамики роста среди других приложений. Эти индексы широко применялись в приложениях RS с использованием различных бортовых и спутниковых платформ, а в последнее время были достигнуты успехи в использовании беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). На сегодняшний день не существует единого математического выражения, определяющего все VI, из-за сложности различных комбинаций световых спектров, используемых приборов, платформ и разрешений.Поэтому индивидуальные алгоритмы были разработаны и протестированы в различных приложениях в соответствии с конкретными математическими выражениями, которые объединяют видимое световое излучение, в основном область зеленого спектра, от растительности, и невидимые спектры для получения косвенных количественных оценок поверхности растительности. В реальных приложениях оптимизационные ВП обычно адаптируются к требованиям конкретного приложения вместе с соответствующими инструментами проверки и методологиями на местах. Настоящее исследование знакомит с спектральными характеристиками растительности и суммирует развитие VI, а также преимущества и недостатки различных разработанных индексов.В этом документе рассматривается более 100 ВП, обсуждается их конкретная применимость и репрезентативность в зависимости от интересующей растительности, окружающей среды и точности реализации. Как и ожидалось, исследования и разработки VI, основанных на гиперспектральных платформах и БПЛА, будут иметь широкое применение в различных областях.

1. Введение

Информация дистанционного зондирования о росте, силе и их динамике, полученная от наземной растительности, может дать чрезвычайно полезную информацию для приложений в мониторинге окружающей среды, сохранении биоразнообразия, сельском хозяйстве, лесном хозяйстве, городской зеленой инфраструктуре и других связанных областях.В частности, эти типы информации, применяемые к сельскому хозяйству, обеспечивают не только объективную основу (в зависимости от разрешения) для макро- и микроменеджмента сельскохозяйственного производства, но также во многих случаях необходимую информацию для оценки урожайности сельскохозяйственных культур [1]. Эти последние приложения были разработаны как хорошо известная категория дисциплин, точное земледелие, начало которой можно было проследить еще три десятилетия назад [1]. Однако применимость дистанционного зондирования и его различных ВП, извлеченных из этих методов, обычно в значительной степени зависит от инструментов и платформ, чтобы определить, какое решение лучше всего подходит для решения конкретной проблемы.

1.1. Соображения относительно платформы дистанционного зондирования

С точки зрения платформ, преимущества спутникового дистанционного зондирования включают высокое пространственное разрешение, которое делает возможным извлечение длинных временных рядов последовательных и сопоставимых данных, что может быть рентабельным [2]. Кроме того, некоторые спутниковые платформы имеют свободный доступ к видимым и многоспектральным данным, например Landsat 7-8. Однако есть две основные проблемы с этими платформами для приложений точного земледелия, которые связаны с разрешением на пиксель (30 м 2 на пиксель для Landsat и 500 м 2 для MODIS) и периодом обращения (16 дней для Landsat и 26 дней для SPOT).Совсем недавно разрешение пикселей было увеличено за счет более новых спутников, таких как WorldView-2 и -3 (DigitalGlobe, Longmont, CO, USA). WorldView-2 был первым коммерческим спутником высокого разрешения, оснащенным восемью спектральными датчиками в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Наряду с четырьмя типичными мультиспектральными полосами: синим (450–510 нм), зеленым (510–580 нм), красным (630–690 нм) и ближним инфракрасным (NIR) (770–895 нм), каждый датчик имеет узкую фокусировку. в определенном диапазоне электромагнитного спектра, который чувствителен к определенному объекту с земли или свойству атмосферы.Однако изображения с этой платформы могут быть непомерно дорогими для исследований длинных рядов данных.

Вторая проблема спутникового дистанционного зондирования - это время повторного посещения, которое в среднем составляет 16 дней, что затрудняет сельскохозяйственные применения, особенно те, которые связаны с управлением водой и питательными веществами. Более того, пассивные датчики не могут проникать в облака; поэтому для пасмурных дней нет пригодных для использования данных.

Для решения этих двух основных проблем могут использоваться бортовые платформы, а в последнее время и беспилотные летательные аппараты.Первые также могут быть непомерно дорогими из-за необходимости в дорогих самолетах и ​​пилотах. Последний стал почти повсеместным за последние пять лет с доступными самолетами и полезными нагрузками камер, начиная от видимого, ближнего и теплового инфракрасного, а также 3D LIDAR, который получил название беспилотной воздушной системы (UAS). Среди платформ БПЛА в основном доступны варианты с неподвижным крылом и мультикоптеры. При использовании этих платформ БПЛА существует компромисс в отношении веса полезной нагрузки и времени полета.В целом, более продолжительное время полета, достигаемое с помощью систем с неподвижным крылом, требует более легкой полезной нагрузки. Например, небольшие камеры видимого диапазона высокой четкости и весом менее 300 граммов в качестве полезной нагрузки БПЛА с неподвижным крылом позволяют ему летать около двух часов, используя доступную в настоящее время батарею [3]. Напротив, мультироторные БПЛА с батарейным питанием и более высокой полезной нагрузкой позволили сократить время полета, которое в настоящее время составляет около 15-25 минут. Используя эти БПЛА, можно достичь более высокого пространственного и временного разрешения данных, что делает возможными прецизионные сельскохозяйственные приложения с субметровым разрешением на пиксель.Это позволяет проводить исследования и практические применения для оценки динамики роста и жизненной силы растений, определения состояния воды в растениях для составления графиков орошения и моделирования эвапотранспирации, среди прочего [4–9].

1.2. Индексы дистанционного зондирования и растительности

Дистанционное зондирование растительности в основном выполняется путем получения информации об отражении электромагнитных волн от навеса с помощью пассивных датчиков. Хорошо известно, что коэффициент отражения световых спектров от растений изменяется в зависимости от типа растения, содержания воды в тканях и других внутренних факторов [10].Отражение от растительности к электромагнитному спектру (спектральная отражательная способность или характеристики излучения растительности) определяется химическими и морфологическими характеристиками поверхности органов или листьев [3]. Основные области применения дистанционного зондирования растительности основаны на следующих спектрах света: (i) ультрафиолетовая область (УФ), которая составляет от 10 до 380 нм; (ii) видимый спектр, состоящий из синей (450–495 нм), зеленой (495–570 нм) и красной (620–750 нм) областей длин волн; 3) ближний и средний инфракрасный диапазон (850–1700 нм) [11, 12].Коэффициент излучения поверхности листьев (эквивалентный поглощающей способности в тепловом диапазоне волн) полностью выросшего зеленого растения без какого-либо биотического или абиотического стресса обычно находится в диапазоне 0,96–0,99, а чаще - между 0,97 и 0,98 [13]. . Напротив, для сухих растений коэффициент излучения обычно имеет больший диапазон от 0,88 до 0,94 [13]. Излучательная способность растений в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне широко изучалась в пределах растительного покрова. Индексы, извлеченные из этого диапазона световых спектров, могут быть отнесены к ряду характеристик, помимо количественной оценки роста и жизненной силы растений, связанных, среди прочего, с содержанием воды, пигментов, сахара и углеводов, содержанием белка и ароматических веществ [2, 14].Различные применения зависят от пиков или обертонов отражательной способности для конкретных соединений в видимой и ближней / средней инфракрасной областях светового спектра [14, 15]. Отражательная способность растений в тепловом инфракрасном спектральном диапазоне (8–14 мкм м) подчиняется закону излучения черного тела [16], который позволяет интерпретировать излучение растений как напрямую связанное с температурой растений. Следовательно, индексы, полученные из этого диапазона спектров, могут быть использованы в качестве прокси для оценки динамики устьиц, которая регулирует скорость транспирации растений.Следовательно, более поздние индексы могут использоваться в качестве индикатора водного статуса растений [17–19] и уровней абиотического / биотического стресса [20, 21].

Последние соображения демонстрируют, что количественная интерпретация данных дистанционного зондирования растительности является сложной задачей. Многие исследования ограничили эту интерпретацию путем извлечения информации о растительности с использованием отдельных полос светового спектра или группы отдельных полос для анализа данных. Таким образом, исследователи часто объединяют данные из ближнего инфракрасного диапазона (0.7–1,1 м) и красные (0,6–0,7 м) полосы по-разному в зависимости от их конкретных целей [2]. Эти типы комбинаций имеют много недостатков (например, недостаточную чувствительность) из-за использования одной или ограниченной группы полос для обнаружения, например, биомассы растительности. Эти ограничения особенно очевидны при попытке применить эти типы VI на разнородных пологах, таких как садовые плантации деревьев. Смешанное сочетание почв, сорняков, покровных культур в междурядьях и интересующих растений затрудняет определение интересующих регионов и извлечение простого VI, особенно когда интересующая растительность имеет разные VI из-за пространственной изменчивости, или VI. соответствующие другой растительности (сорняки и покровные культуры), которые могут быть похожи на интересующие нас.Последнее усложняет процессы шумоподавления и фильтрации изображений. Для решения этих проблем было разработано несколько методов и алгоритмов анализа изображений, которые будут описаны позже. Несмотря на то, что есть много соображений, описанных ранее, построение простого алгоритма VI во многих случаях могло бы предоставить простые и эффективные инструменты для измерения состояния растительности на поверхности Земли [6].

2. Индексы растительности и процесс проверки

С использованием спектральной аппаратуры высокого разрешения количество полос, получаемых с помощью дистанционного зондирования, увеличивается, а ширина полосы сужается [7].Одним из наиболее часто используемых и реализуемых индексов, рассчитываемых на основе мультиспектральной информации как нормализованное соотношение между красным и ближним инфракрасным диапазонами, является Нормализованный индекс разницы растительности (NDVI) [22]. Непосредственное использование NDVI - это характеристика роста или силы растительного покрова; следовательно, многие исследования сравнивают его с индексом площади листа (LAI) [23], где LAI определяется как площадь односторонних листьев на площадь почвы [24].

Информация о растительности, полученная с изображений, полученных с помощью дистанционного зондирования, в основном интерпретируется по отличиям и изменениям зеленых листьев от растений и спектральным характеристикам растительного покрова.Наиболее распространенный процесс проверки - это прямая или косвенная корреляция между полученными ВИ и интересующими характеристиками растительности, измеренными на месте, такими как растительный покров, LAI, биомасса, рост и оценка жизнеспособности. Для оценки ВП используются более устоявшиеся методы с использованием прямых методов и методов с географической привязкой путем мониторинга дозорных растений для сравнения с ВИ, полученными с тех же заводов, для целей калибровки.

Более поздний процесс известен как аллометрические измерения и требует деструктивных методов для сканирования определенной области общего количества листьев на растении или дереве в случае LAI [25].Методы косвенной проверки основаны на проксимальном оборудовании с использованием того же или аналогичного спектрального оборудования для оценки контрольных станций с географической привязкой под тем же углом, что и воздушные платформы. Последний метод полезен для сравнения значений VI, полученных со спутника, которые чувствительны к атмосферным воздействиям и служат средством для получения поправочных коэффициентов. В более поздних косвенных методах, основанных на фотографировании покровов, для оценки покрытия растительного покрова, LAI, пористости и индекса комкования использовались методы автоматического анализа.

Для этого с помощью камер видимого диапазона снимается фотограмметрия крышки с направленным вверх при нулевом зенитном угле, чтобы получить параметры архитектуры купола, рассчитанные с использованием алгоритмов компьютерного зрения. Метод автоматического получения изображений и расчета был предложен Fuentes et al. 2008 г. применялся к эвкалиптовым деревьям [26], и он успешно применялся для других культур, таких как виноград, по сравнению с аллометрическими измерениями и для проверки NDVI, рассчитанного на основе спутниковой информации (WorldView-2) [27], яблонь с повышенной точностью с использованием переменной коэффициент ослабления света () [28] и вишневые деревья, улучшающие метод, извлекая нелистовой материал, такой как ветви высоких деревьев [29, 30].В конце 2015 года компьютерное приложение (приложение) для смартфонов и планшетных ПК под названием VitiCanopy было выпущено для бесплатного использования для оценки параметров архитектуры кроны деревьев с использованием автоматизированных алгоритмов фотографирования обложек, которые можно применить к любой другой культуре деревьев, изменив определенное значение [ 31, 32]. Позже были разработаны другие приложения, использующие фотограмметрию RGB для оценки LAI, например PoketLAI [33–35].

2.1. Основные индексы растительности

Иордания [36] предложила в 1969 году один из первых VI под названием Ratio Vegetation Index (RVI), который основан на принципе, согласно которому листья поглощают относительно больше красного, чем инфракрасного света; RVI можно выразить математически следующим образом: где NIR - коэффициент отражения в ближней инфракрасной области, а - коэффициент отражения в красной полосе.Согласно спектральным характеристикам растительности, кустистые растения имеют низкий коэффициент отражения в красной полосе и показали высокую корреляцию с LAI, сухим веществом биомассы листьев (LDBM) и содержанием хлорофилла в листьях [37]. RVI широко используется для оценки и мониторинга зеленой биомассы, в частности, при высокой плотности растительного покрова, поскольку этот индекс очень чувствителен к растительности и имеет хорошую корреляцию с растительной биомассой. Однако, когда растительный покров разрежен (менее 50%), RVI чувствительны к атмосферным воздействиям, и их представление о биомассе является слабым.

Индекс разницы в растительности (DVI) был предложен позже [38] и может быть выражен как DVI очень чувствителен к изменениям почвенного фона; может применяться для мониторинга экологической среды растительности. Таким образом, DVI также называют индексом экологической растительности (EVI).

Индекс перпендикулярной растительности (PVI) [38] является моделированием индекса зеленой растительности (GVI) в данных NIR 2D. В системе координат спектральный отклик от почвы представлен в виде косой черты (линия осветления почвы).Последний эффект можно объяснить тем, что почва дает высокий спектральный отклик в ближнем инфракрасном диапазоне и диапазонах. Расстояние между точкой отражательной способности (, NIR) и линией почвы было определено как перпендикуляр VI, который можно выразить следующим образом: где - коэффициент отражения почвы; - коэффициент отражения растительности; PVI характеризует биомассу растительности на почвенном фоне; чем больше расстояние, тем больше биомасса.

PVI также может быть выражено количественно как где и - значения яркости отраженного излучения от БИК и, соответственно; - точка пересечения базовой линии почвы и вертикальной оси отражательной способности в ближнем ИК-диапазоне; и θ - угол между горизонтальной осью отражательной способности и базовой линией почвы.Таким образом PVI эффективно отфильтровывает влияние почвенного фона; PVI также имеет меньшую чувствительность к атмосферным воздействиям и в основном используется для инверсии параметров поверхностной растительности (урожайность травы, содержание хлорофилла), расчета LAI, а также идентификации и классификации растительности [39, 40]. Однако PVI чувствителен к яркости и отражательной способности почвы, особенно в случае слабого растительного покрова, и требует корректировки с учетом этого эффекта [41].

Как упоминалось ранее, Нормализованный разностный индекс растительности (NDVI) наиболее широко используется в качестве VI; это было предложено Роуз-младшим.и другие. [42], который может быть выражен как: Поскольку индекс рассчитывается с помощью процедуры нормализации, диапазон значений NDVI находится между 0 и 1, что дает чувствительную реакцию на зеленую растительность даже на территориях с низкой растительностью. Этот индекс часто используется в исследованиях, связанных с региональной и глобальной оценкой растительности, и было показано, что он связан не только со структурой полога и LAI, но и с фотосинтезом полога [43, 44]. Тем не менее, NDVI чувствителен к воздействию яркости почвы, цвета почвы, атмосферы, облаков и теней облаков, а также тени листвы и требует калибровки дистанционного зондирования.

2.2. Индексы растительности с учетом атмосферных воздействий

Учитывая ограничения NDVI при атмосферных воздействиях, Кауфман и Танре [40] предложили Индекс атмосферостойкости растительности (ARVI). Этот индекс основан на знании того, что атмосфера оказывает значительное влияние по сравнению с NIR. Таким образом, Кауфман и Танре изменили значение излучения

.

Смотрите также