научная статья по теме ЗАВИСИМОСТЬ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ФИТОПЛАНКТОНА ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Биология

Текст научной статьи на тему «ЗАВИСИМОСТЬ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ФИТОПЛАНКТОНА ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ»

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =

УДК 535.37

ЗАВИСИМОСТЬ ФЛУОР ЕСЦЕНЦИИ ФИТОПЛАНКТОНА ОТ ВНЕШНИX ВОЗДЕЙСТВИЙ

© 2015 г. Е.Л. Гамаюнов, А.Ю. Попик

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041, Владивосток, ул. Радио, 5

E-mail: gатауыпоу@1аср.йуо.гы Поступила в p едакцию 21.10.14 г.

Являясь основным источником кислорода и первичным звеном пищевой цепочки водных объектов, фитопланктон играет важную роль в их экологическом состоянии. П ри определении концентрации флуоресцентным методом не учитывают влияние на интенсивность флуоресценции параметров среды. В статье теоретически и экспериментально доказывается зависимость между флуоресценцией хлорофилла а в составе клеток фитопланктона и температурой воды и освещенностью. Предложена формула для расчета коэффициента пропорциональности, который позволяет определить концентрацию хлорофилла а с учетом параметров среды. И спользование данного коэффициента позволяет снизить ошибку определения концентрации хлорофилла а флуоресцентным методом. Показано распределение концентрации фитопланктона по глубине, рассчитанное с использованием классической методики и предложенного в статье коэффициента. Флуоресценцию фитопланктона измеряли с помощью оптоволоконного спектрометра в акватории залива Петра Великого в сентябре-октябре 2013 года.

Ключевые слова: концентрация фитопланктона, флуоресценция, экологический мониторинг.

Микроводоросли фитопланктона являются главным поставщиком кислорода в масштабах всей планеты и пер вичным звеном в пищевой цепочке любого водоема. Изменение физико-химических параметров среды обитания фитопланктона приводит к изменениям состояния клеток микроводорослей и последующей гибели или, наоборот, к стр емительному размножению их отдельных видов. Благополучное состояние водоема характеризуется преобладанием авто-трофных водорослей, выделяющих в процессе фотосинтеза кислород, над гетеротрофными, потребляющими кислород. Количественный и видовой состав фитопланктона зависит от условий окружающей ср еды, и поэтому его удоб -но использовать для оценки и прогноза экологического состояния водных акватор ий. О снованные на таком представлении методы анализа экологического состояния получили название клеточный биомониторинг [1].

Измерение концентрации клеток фитопланктона и параметров фотосинтеза в них наиболее часто выполняется методами флуори-метрии и флуоресцентной спектроскопии. В о с-нове этих методов лежит измерение спектра флуоресцентного излучения клеток микроводорослей, вызванного внешним естественным или искусственным воздействием. Спектр флуор ес-ценции определяется составом пигментов в клетке микроводоросли, а также внешними ус-

ловиями среды, которые влияют на протекающие в ней биохимические реакции. Наиболее чувствительными к внешним условиям являются реакции фотосинтеза с участием хлорофилла а - характеристического пигмента, содержащегося в хлоропластах зеленых автотрофных клеток. Многие исследователи отмечают зависимость функционального состояния фотосинтетического аппарата от различных факторов, среди которых наиболее значимыми являются внешние условия ср еды обитания: темпер атура [2-4], освещенность [5-8], интенсивность ультрафиолетового излучения [9-11], наличие питательных веществ и гербицидов [12,13]. Значения указанных параметров среды зависят от глубины. Напр имер, в работе [14] авторы отмечают, что эффективность фотосинтеза уменьшается с глубиной, и связывают это с уменьшением о с-вещенности, интенсивности ультрафиолетового излучения, температуры и доступности питательных веществ. Снижение эффективности фотосинтеза связано с закрытием реакционных центров клетки микроводоросли, что приводит к замедлению фотохимических реакций синтеза органических веществ и увеличению флуоресцентного излучения. Таким обр азом, интенсивность флуоресценции хлорофилла а, находящегося в составе клеток фитопланктона, определяется не только его общей концентрацией в воде, но и состоянием клеток фитопланктона,

Pис. 1. Pезультаты измерений флуоресценции и концентрации хлорофилла а на глубине 4 м.

котор ое, в свою очер едь, зависит от таких параметров внешней среды, как освещенность и темпер атур а. Существующие методики расчета концентр ации хлор офилла а, о снованные на измерении интенсивности флуоресценции, не учитывают влияние внешних условий на со -стояние клеток фитопланктона, что обуславливает большую погр ешно сть таких р асчетов.

Большинство методик анализа со стояния фитопланктона предполагают вычисление концентр ации хлор офилла а по величине измер ен -ной интенсивности флуоресценции в диапазоне длин волн 680-690 нм. Анализ выполненных в р яде экспедиций измер ений концентр ации хлорофилла а флуоресцентным методом [2] и методом экстр актного опр еделения фото синтетических пигментов [3] показал, что наблюдается р азличие между значениями концентр ации, определяемыми разными методами. При выполнении суточны х станций в морских акватор иях залива Петр а Великого в Пр иморском кр ае автор ами статьи было замечено, что интенсивность флуор есценции, р егистрируемая погружаемыми датчиками, изменяется с течением вр е-мени даже в тех случаях, когда концентрация фитопланктона, а значит, и концентр ация хлорофилла а существенно не меняются.

На рис. 1 представлены результаты изме-р ений флуор есценции и концентр ации хлор о -филла а, выполненные во время одной из суточных станций в сентябр е 2013 г. Измер ения пр оводились на глубине 4 метр а с 20:00 до

11:00 включительно с интер валом в 1 ч. Флуо-р есцентные измер ения выполнялись погружаемым зондом SBE 16р1и8 фирмы Sea-Bird Electronics с установленным датчиком флуо р есценции WET Star фир мы WET Labs [15] и с помощью оптоволоконной измерительной системы, р азр аботанной в Институте автоматики и пр оцессов упр авления ДВО РАН [16]. Концентр ацию хлор офилла а опр еделяли экстр актным методом во взятых с глубины 4 м пр обах воды. Р езультаты измер ений, полученные пр и помощи зонда SBE и измер ительной системы собственной разр аботки, аппр оксимир овали экспонентной функцией. Вычисленный коэффициент корреляции для данных зонда SBE равен 0,85, а для данных измер ительной системы собственной р азр аботки - 0,8. Измер енные значения концентр ации хлор офилла а, полученные в результате нефлуор есцентных измер ений, аппр оксимир овали линейной функцией. П р и этом данные, полученные в результате флуо р есцентных измер ений обоими пр ибо р ами, хо р ошо коррелируют между собой с коэффициентом корреляции 0,92. На гр афике зависимости интенсивности флуор есценции наблюдается ее р езкое уменьшение после 8-9 ч, когда солнце достаточно высоко поднимается над горизонтом, что не наблюдается на графике изменения концентр ации хлор офилла а, опр еделенной экстр актным методом. Считая, что концентр ация фитопланктона на указанной глубине в течение суток не изменялась, можно предположить, что изменение интенсивно сти флуо р есценции связа -

но с изменением внешних условий, оказывающих влияние на со стояние клеток фитопланктона. Корреляционный анализ изменения пар а -метр ов ср еды, измеряемых датчиками зонда ББЕ, позволил предположить сильную связь интенсивности флуор есценции с о свещенно-стью, гр афик изменения котор ой также пр иве-ден на р и с. 1.

На глубинах более 15 м наблюдало сь резкое снижение темпер атур ы и одновр еменно значительный р ост интенсивности флуор есценции. Можно пр едположить, что увеличение интенсивности флуор есценции хлор офилла а в термоклине связано не только с увеличением его концентрации, но и с уменьшением эффекта теплового тушения. Гр афики изменения флуо -р есценции и темпер атур ы с глубиной пр иведены на рис. 2. Вычисленный коэффициент корреля -ции между темпер атур ой и флуор есценцией в диапазоне глубин 15-20 м, который выделен на р исунке пунктир ной линией, со ставляет -0,98, что позволяет пр едположить наличие линейной зависимости между этими пар аметр ами.

Тр адиционно, пр и опр еделении концентр а -ции хлор офилла а флуор есцентным методом пр едполагают линейную зависимо сть интенсивности флуор есценции от концентр ации хлор о -филла, и расчет выполняют по формуле [27]:

С = КГ, (1)

где С - концентр ация хлор офилла а; К - коэффициент пр опорциональности, опр еделяемый констр укцией измер ительного пр ибо р а; Г - из-мер енная интенсивность флуо р есценции.

В ряде работ [28-30] указывается, что коэффициент пр опорциональности К имеет р аз-ные значения в зависимости от вида микр ово-до р о слей, пр и сут ствующих в исследуемой пр обе воды. Наблюдаемая зависимо сть интенсивности флуо р есценции от пар аметр ов ср еды позволяет пр едположить наличие функциональной зависимости коэффициент К также от освещенности и темпер атур ы. П р едполагая их влияние независимым, коэффициента К может быть представлен функцией вида:

К = SoSl(Q >2(Г), (2)

где ^ - коэффициент пр опор ционально сти, за -висящий от конструкции измерителя и вида фитопланктона; ^^) - функция, зависящая от освещенности; я2(Г) - функция, зависящая от темпер атур ы.

Коэффициент К можно интерпретировать как функцию, хар актер изующую эффективно сть флуор есценции клетки микр оводор о сли. Чем

- Флуоресценция Температура

Рис. 2. Изменение интенсивности флуор есценции хлор офилла а и темпер атур ы воды в зависимости от глубины (сентябрь 2013).

больше численное значение K, тем меньше интенсивность флуо р есценции клетки.

В настоящей статье сделана попытка выявить влияние, которое оказывают освещенность и темпер атур а ср еды на интенсивно сть флуор есценции хлор офилла а, находящегося в со ставе клеток микр оводор о слей, а также вы-р азить коэффициент пр опор циональности K в виде функции от темпер атур ы и о свещенно сти. Для выявления зависимости интенсивно сти флуо р есценции от о свещенности и темпер атур ы был выполнен цикл экспер иментов с культур ой микр оводор о сли Isochrysis galbana, любезно пр е-доставленной лабораторией шельфовых сообществ Института биологии мор я им. А .В. Жирмунского Дальневосточного отделения Р АН.

И ССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ О С ВЕЩЕННОС ТИ

В пр ир одных водоемах пар аметр ом, под-вер

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком