本發(fā)明屬于水環(huán)境治理，更具體地，涉及一種交聯(lián)增強(qiáng)型復(fù)合生物酶除藻劑的制備方法及產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、生物酶除藻劑是一種環(huán)境友好型的水處理劑，主要用于控制和減少水體中的藻類繁殖，尤其是針對(duì)藻華現(xiàn)象。藻類過(guò)度繁殖會(huì)導(dǎo)致水體缺氧、水質(zhì)惡化，甚至產(chǎn)生毒素，對(duì)水生生物和人類健康構(gòu)成威脅。生物酶除藻劑通過(guò)特異性地分解藻類細(xì)胞壁或細(xì)胞內(nèi)容物來(lái)抑制或殺死藻類，相較于傳統(tǒng)化學(xué)方法，具有高效、安全和無(wú)毒性的優(yōu)點(diǎn)。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，論文(smith,j.,&davis,s.(2020).the?challenges?of?enzymestability?in?natural?environments?for?algal?bloom?control.journal?ofenvironmental?science?and?technology,54(12),7344-7353)提出了一種通過(guò)化學(xué)修飾提高酶穩(wěn)定性的方法，以延長(zhǎng)其在水體中的有效作用時(shí)間。該論文提出了提高酶穩(wěn)定性的方法，但化學(xué)修飾可能會(huì)增加制備成本，并可能影響酶的生物降解性，這限制了其在大規(guī)模應(yīng)用中的可行性。論文()johnson,d.,&black,j.(2021).multi-objective?optimizationin?environmental?engineering:a?review.environmental?engineering?journal,17(2),101-112.)討論了環(huán)境工程中多目標(biāo)優(yōu)化的應(yīng)用，包括在生物酶除藻劑開發(fā)中的成本、效率和環(huán)境影響的權(quán)衡。論文指出，現(xiàn)有的研究往往集中在單一目標(biāo)上，而忽視了其他重要因素，導(dǎo)致無(wú)法全面評(píng)估和優(yōu)化生物酶除藻劑的性能。

3、基于上述缺陷和不足，本領(lǐng)域亟需提出一種基于人工智能的多目標(biāo)尋優(yōu)的交聯(lián)增強(qiáng)型復(fù)合生物酶除藻劑的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法兼顧多目標(biāo)最佳權(quán)衡的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種交聯(lián)增強(qiáng)型復(fù)合生物酶除藻劑的制備方法及產(chǎn)品，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)交聯(lián)增強(qiáng)型復(fù)合生物酶除藻劑配方的智能化優(yōu)化，顯著提升了除藻劑的性能和應(yīng)用效率。通過(guò)結(jié)合貝葉斯優(yōu)化(bo)和lightgbm算法，該方案能夠精確調(diào)整模型超參數(shù)，優(yōu)化除藻效率、材料穩(wěn)定性和重復(fù)使用率的預(yù)測(cè)模型。利用多目標(biāo)損失函數(shù)，方案同時(shí)考慮了除藻效率、材料穩(wěn)定性和重復(fù)使用率三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，確保了除藻劑在實(shí)際應(yīng)用中的高效性和經(jīng)濟(jì)性。此外，通過(guò)nsga-iii多目標(biāo)優(yōu)化算法，方案能夠在多個(gè)目標(biāo)之間找到最佳權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)pareto最優(yōu)解，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供了一種高效、環(huán)保且成本效益高的除藻劑制備方法。這種方法不僅提高了除藻劑的性能，還減少了對(duì)環(huán)境的影響，為水體生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和水質(zhì)管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種交聯(lián)增強(qiáng)型復(fù)合生物酶除藻劑的制備方法，包括以下步驟：

3、步驟一，根據(jù)制備關(guān)鍵參數(shù)，獲取生物酶除藻劑數(shù)據(jù)樣本集，對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行歸一化處理，隨機(jī)分為訓(xùn)練樣本集和測(cè)試樣本集；

4、步驟二，使用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練lightgbm模型，以預(yù)測(cè)除藻效率、材料穩(wěn)定性和重復(fù)使用率，采用貝葉斯優(yōu)化算法對(duì)lightgbm模型的超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳參數(shù)組合；

5、步驟三，將bo-lightgbm預(yù)測(cè)模型函數(shù)作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，將除藻效率、材料穩(wěn)定性和重復(fù)使用率作為目標(biāo)函數(shù)，參數(shù)的物理和化學(xué)限制作為約束條件，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到pareto最優(yōu)解集；

6、步驟四，基于pareto最優(yōu)解集制備生物酶除藻劑。

7、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟一中，所述關(guān)鍵參數(shù)包括：

8、酶濃度e、生物陶粒比例g、微生物菌屬比例m、海藻酸鈉溶液濃度a、氯化鈣溶液濃度c、交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間t、振蕩速度o和靜置時(shí)間s。

9、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟二包括以下步驟：

10、(21)使用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練lightgbm模型，以預(yù)測(cè)除藻效率、材料穩(wěn)定性和重復(fù)使用率，優(yōu)化超參數(shù)，包括學(xué)習(xí)率、最小批量大小、列采樣比、估計(jì)器數(shù)量、l2正則化參數(shù)和樹的最大深度；

11、(22)使用貝葉斯優(yōu)化算法搜索最優(yōu)超參數(shù)組合，以均方誤差作為優(yōu)化目標(biāo)；

12、(23)采用均方根誤差、平均絕對(duì)誤差和平均絕對(duì)百分比誤差3個(gè)性能指標(biāo)對(duì)該模型的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

13、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述均方根誤差、平均絕對(duì)誤差和平均絕對(duì)百分比誤差的計(jì)算模型包括：

14、

15、式中，n為數(shù)據(jù)樣本數(shù)，和分別為實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值。

16、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟三中，所述除藻效率、材料穩(wěn)定性和重復(fù)使用率的目標(biāo)函數(shù)包括：

17、f1(e，g，m，a，c，t，o，s)＝lightgbm(e，g，m，a，c，t，o，s)

18、f2(e，g，m，a，c，t，o，s)＝lightgbm(e，g，m，a，c，t，o，s)

19、f3(e，g，m，a，c，t，o，s)＝lightgbm(e，g，m，a，c，t，o，s)

20、其中，f1是基于lightgbm模型預(yù)測(cè)的除藻效率,f2是基于lightgbm模型預(yù)測(cè)的材料穩(wěn)定性,f3是基于lightgbm模型預(yù)測(cè)的重復(fù)使用率。

21、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟三中，所述bo-lightgbm預(yù)測(cè)模型包括：

22、

23、式中，θ*是最優(yōu)超參數(shù)組合，θ表示超參數(shù)。

24、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟三中，采用模糊決策法來(lái)從pareto解集中選取一個(gè)最優(yōu)解，具體如下：

25、根據(jù)各方案到正理想解和負(fù)理想解的距離進(jìn)行評(píng)分，各方案評(píng)分計(jì)算公式如下所示：

26、

27、式中，si為第i個(gè)帕累托解對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)，fi-為第i個(gè)帕累托解到負(fù)理想解的距離，fi+為第i個(gè)帕累托解到正理想解的距離，fi-和fi+的計(jì)算公式如下所示：

28、

29、式中，m為優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)量，xij為在第j個(gè)目標(biāo)下第i個(gè)pareto解，和為在第j個(gè)目標(biāo)下負(fù)理想解和正理想解對(duì)應(yīng)的輸入值，計(jì)算公式如下所示：

30、

31、計(jì)算每個(gè)pareto解的改進(jìn)百分比，其中，每個(gè)目標(biāo)的改進(jìn)為：

32、

33、每個(gè)方案的整體改進(jìn)為：

34、

35、式中，impij是每i個(gè)pareto解第j個(gè)目標(biāo)的改進(jìn)，orgj,ave是第j個(gè)目標(biāo)的原始平均值，optij是每i個(gè)pareto解第j個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化值，impoveralli是每i個(gè)pareto解的整體改進(jìn)。

36、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，還包括根據(jù)獲取的最優(yōu)解，執(zhí)行以下操作：

37、(51)將酶加入合適量的水中配制成酶液，再取配置好的酶液加入海藻酸鈉溶液中，得到混合液a；

38、(52)將滅菌后的生物陶粒，加入至微生物菌混合懸液d中，振蕩吸附，靜置一段時(shí)間，得到菌液混合物b；

39、(53)將步驟(2)中得到的菌液混合物b加入步驟(51)中的混合液a，混勻后得到混合液c；

40、(54)向上述的混合液c中加入氯化鈣溶液，進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，待所述的交聯(lián)反應(yīng)結(jié)束后，用無(wú)菌水洗滌，得到所述的新型生物酶除藻劑。

41、按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種交聯(lián)增強(qiáng)型復(fù)合生物酶除藻劑，采用如上任意實(shí)施例或者多個(gè)實(shí)施例組合的方法制備得到。

42、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述交聯(lián)增強(qiáng)型復(fù)合生物酶除藻劑的組成成分及質(zhì)量百分比為：

43、生物陶粒10-15份，混合菌屬15-25份，半纖維素酶30-40份，半纖維素酶30-40份，

44、其中，所述的混合菌屬包括黏細(xì)菌群、枯草桿菌群、酵母菌群、聚磷菌群、氨氮菌群中的至少4種以上。

45、總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

46、1.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)交聯(lián)增強(qiáng)型復(fù)合生物酶除藻劑配方的智能化優(yōu)化，顯著提升了除藻劑的性能和應(yīng)用效率。通過(guò)結(jié)合貝葉斯優(yōu)化(bo)和lightgbm算法，該方案能夠精確調(diào)整模型超參數(shù)，優(yōu)化除藻效率、材料穩(wěn)定性和重復(fù)使用率的預(yù)測(cè)模型。利用多目標(biāo)損失函數(shù)，方案同時(shí)考慮了除藻效率、材料穩(wěn)定性和重復(fù)使用率三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，確保了除藻劑在實(shí)際應(yīng)用中的高效性和經(jīng)濟(jì)性。此外，通過(guò)nsga-iii多目標(biāo)優(yōu)化算法，方案能夠在多個(gè)目標(biāo)之間找到最佳權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)pareto最優(yōu)解，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供了一種高效、環(huán)保且成本效益高的除藻劑制備方法。這種方法不僅提高了除藻劑的性能，還減少了對(duì)環(huán)境的影響，為水體生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和水質(zhì)管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

47、2.本發(fā)明使用半纖維素酶、木質(zhì)素酶等混合酶作用于藍(lán)藻等藻類生物細(xì)胞，細(xì)胞的膠質(zhì)鞘和細(xì)胞壁造成損傷，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致其在收到外界環(huán)境干擾時(shí)難以維持正常的生活，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，能夠有效地去除水體中的藻類。

48、3.本發(fā)明使用的生物酶具有專一性，不會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生不良影響，使用后不需要解毒，不需要增氧，操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)行，也不會(huì)對(duì)水體中的魚類、蝦、蟹等生物造成殺害，可以最大程度的保護(hù)了目標(biāo)水域的完整性。

49、4.本發(fā)明使用生物陶粒作為微生物載體，通過(guò)其優(yōu)異的吸附和保護(hù)特性，顯著提高了微生物在水體中的存活率和活性。生物陶粒的滅菌處理確保了其在水體中的安全應(yīng)用，不會(huì)帶來(lái)二次污染。

50、5.本發(fā)明中的混合菌劑中的黏細(xì)菌群可分泌木質(zhì)素酶，枯草桿菌群可分泌半纖維素酶，不僅可以減少新型生物酶除藻劑中生物酶的使用，也可彌補(bǔ)使用后期生物酶活性不足，使得新型生物酶使用周期變長(zhǎng)。

51、6.本發(fā)明采用海藻酸鈉和氯化鈣進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包埋生物酶和微生物。這種交聯(lián)技術(shù)不僅提高了除藻劑的穩(wěn)定性和重復(fù)使用率，還確保了生物酶和微生物在水體中的持續(xù)作用。

52、7.本發(fā)明中的混合菌劑中的酵母菌群、聚磷菌群可有效降低水體中有機(jī)物和總磷含量，氨氮菌群可有效降低水體中總氮含量，不僅在一定程度上改善水質(zhì)，還能夠有效減少藻類生物的營(yíng)養(yǎng)物，能夠有效防止藻類生物瘋狂生長(zhǎng)。

53、8.本發(fā)明材料易得，制備方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)時(shí)間短，成本低廉，適用范圍廣，還具有一定的水質(zhì)提升效果。所述的生物酶還具有高效專一，無(wú)毒無(wú)害，可重復(fù)使用等多重優(yōu)良特性。