авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Магомедов, Махач Давудович

Спектральные оптические методы экспрессной

оценки характеристик экологического состояния

акваторий

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2006

Магомедов, Махач Давудович.

   Спектральные оптические методы экспрессной оценки

характеристик экологического состояния акваторий [Электронный ресурс] : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13. ­ СПб.: РГБ, 2006. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Биологические науки ­­ Гидробиология ­­ Экологические факторы водной среды ­­ Методика и техника научно­исследовательской работы ­­ Физические и физико­химические методы ­­ Оптические методы Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/06/0418/060418031.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Магомедов, Махач Давудович Спектральные оптические методы экспрессной оценки характеристик экологического состояния акваторий СПб.  Российская государственная библиотека, 2006 (электронный текст) Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) На нравах рукониси Магомедов Махач Давудович СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЭКСПРЕССНОЙ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор Сидоренко В.М.

Санкт-Петербург - ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНРШ ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ 1.1. Показатели экологического состояния акваторий 1.2. Существующие методы оценки величины первичной продукции и биомассы фитопланктона 1.2.1. Методы оценки биомассы фитопланктона 1.2.2. Существующие методы оценки величины первичной продукции 1.2.2.1. Оценка величины первичной продукции на основании анализа проб воды 1.2.2.2. Оценка величины первичной продукции методом непрерывного зондирования 1.3. Общий подход к оптическим спектральным исследованиям биологических сред 1.3.1. Характерные особенности биологического объекта как предмета спектральных исследований 1.3.2. Методология проведения количественных спектральных исследований биологических объектов 1.

3.3. Учет дискретности частицы взвеси 1.3.4. Метод получения спектра молекулы в среде 1.4. Постановка цели и задач исследования ГЛАВА 2. ЭКСПРЕССНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА И ПЕРВИЧНОЙ ПРОДУКЦИИ В ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ 2.1. Влияние освещенности на соотношение между интенсивностью флуоресценции хлорофилла в фитопланктоне и его концентрацией 2.2. Онтическая модель клетки фитопланктона для описания влияния фотоадаптации на ее спектральные характеристики 2.3. Экспрессное безэкстракционное определение концентрации хлорофилла 2.4. Экспрессное определение первичной продукции 2.4.1. Экспрессное определение концентрации питательных веществ 2.4.2. Метод определения параметров слоя скачка плотности Выводы ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ АППАРАТУРА И РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДР0ФИЗР1ЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ 3.1. Аппаратура для проведения морских исследований - многоканальный погружаемый зонд 3.2. Экспериментальные данные о параметрах, необходимых для определения первичной продукции 3.2.1. Сезонные изменения освещенности в Черном море 3.2.2. Вертикальное распределение плотности и концентрации растворенных органических веществ в Черном море 3.2.3. Суточные и сезонные вариации концентрации хлорофилла в Черном море 3.2.4. Параметры клеток фитопланктона, использованные при исследовании Каспийского моря 3.2.5. Вертикальное распределение плотности и концентрации растворенных органических веществ Каспийского моря 3.2.6. Сезонные изменения освещенности Каспийского моря Выводы ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПРЕССНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА И ПЕРВИЧНОЙ ПРОДУКЦИИ 4.1. Экспрессное определение концентрации хлорофилла в Черном море 4.2. Результаты экспрессного определения величины первичной продукции в Черном море и сравнительный анализ с экспериментальными данными 4.3. Результаты экспрессного определения первичной продукции Каспийского моря сравнительный анализ с экспериментальными данными 4.4. Экспрессный метод определения экологического состояния акватории Выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ НО ЛИТЕРАТУРА с п и с о к СОКРАЩЕНИЙ ФП - фитопланктон ПП - нервичная продукция ММВ - межмолекулярное взаимодействие ЖБС — жидкая биологическая среда ИФХ - интенсивность флуоресценции хлорофилла РОВ - растворенные органические вещества и в е - информационно-вычислительной системы ЭВМ — электронно-вычислительная машина УЭП - удельной электрической проводимости БТС - биотехническая система ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы.

Роль фитопланктона (ФП) в функционировании биоценоза водной экосистемы огромна. Находясь на первом трофическом уровне, фитопланктон непосредственно или через промежуточные звенья пищевых цепей служит источником питания других организмов. Вследствие этого, фитопланктон является естественным биотестом и его характеристики используют при интегральной оценке физиологического состояния и гидробиологической производительности водных сред. К таким характеристикам относятся биомасса ФП и величина первичной продукции и их знание имеет важное значение для определения экологического состояния водных экосистем. С практической точки зрения наиболее важной представляется возможность экспрессно оценивать пространственно - временные соотношения концентрации хлорофилла и первичной продукции. Это позволяет получить полную пространственно - временную картину их абсолютных значений на основании данных, полученных в определенное время или в определенном районе.

В настоящее время известны различные методы, позволяющие оценить биомассу и первичную продукцию фитопланктона того или иного водоёма.

Однако все они требуют длительного времени анализа проб воды, что является существенным недостатком, особенно при исследовании больщих акваторий в полевых условиях. Низкая производительность исследований делает актуальной разработку экспрессных методов, позволяющих получать информацию о требуемых характеристиках в реальном масщтабе времени проведения измерений без отбора проб и пробоподготовки.

Наиболее перспективным в этих целях представляется использовать явление флуоресценции хлорофилла в ФП. Интенсивность флуоресценции хлорофилла, в принципе, позволяет определить его концентрацию, на основании которой возможно рассчитать биомассу фитопланктона и первичную продукцию. Основная трудность, не позволявшая до настоящего времени реализовать экспрессные спектральные оптические методы определения концентрации хлорофилла и первичной продукции водных экосистем, заключалась в отсутствии методов, позволяющих учесть специфику биологических объектов, являющихся сложными гетерогенными конденсированными средами. Только в последнее время был разработан общий подход к оптическим спектральным исследованиям жидких биологических сред.

В связи с вышеизложенным, представляется актуальным разработать на основе этого подхода новые экспрессные методы определения концентрации фитопланктона и первичной продукции, исследование работоспособности методов и исследовать с их помощью характеристик полей распределения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях.

Целью диссертационной работы является разработка спектральных оптических методов экспрессной оценки характеристик экологического состояния акваторий.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы следующие задачи:

1. Анализ существующих методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акватории.

2. Разработка экспрессных спектральных оптических методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции акваторий.

3. Исследование разработанных методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях применительно к Черному и Каспийскому морям.

Объектом исследования являются разработанные методы, а также полученные с их помощью характеристики полей распределения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях Черного и Каспийского морей.

Предметом исследования является зависимость пространственно временных характеристик полей концентрации хлорофилла и первичной продукции акваторий, определенных с помощью разработанных методов, от исходных параметров и сравнительный анализ полученных результатов с экспериментальными данными.

Методы исследования.

Теоретические разделы диссертации разработаны с применением методов спектрального оптического исследования биологических обьектов, основанных на теории поляризации диэлектриков, учете эффекта дискретности частиц и модели взаимодействия светового излучения с клетками фитопланктона.

Гидрологические характеристики исследуемых акваторий получены в результате экспериментальных исследований с использованием методов математической обработки экспериментальных данных На защиту выносятся;

1. Спектральный оптический метод безэкстракционного определения концентрации хлорофилла в акватории.

2. Спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции акватории.

3. Результаты исследования разработанных экспрессных методов, а также полученные с их помощью характеристики полей распределения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях Черного и Каспийского морей.

Научная новизна работы заключается в разработке и использовании в проведенных исследованиях новых методов количественного определения первичной продукции и концентрации хлорофилла в клетках фитопланктона с применением современных способов получения количественных данных о клетках фитопланктона на основании флуоресценции клеточного хлорофилла.

Наиболее важными новыми результатами работы являются:

1. Безэкстракционный флуориметрический метод определения концентрации хлорофилла, 2. Спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции в акватории, 3. Результаты исследования механизма формирования вертикальной стратификации интенсивности флуоресценции хлорофилла и причин ее суточной вариабельности, 4. Результаты исследования сезонного изменения величины первичной продукции в Черном и Каспийском морях.

Достоверность результатов обеспечена использованием при их получении надежных и проверенных теоретических представлений, экспериментальных методов и технологий;

численными расчетами, проведенными на основании полученных соотношений;

оценками величин и характера вытекающих из них зависимостей с использованием надежных экспериментальных данных;

систематической проверкой полученных результатов с данными, заимствованными из литературных источников;

сравнительным анализом результатов, полученных новыми и традиционными методами.

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что предложенные методы позволяют проводить экспрессный мониторинг водоемов, что обеспечивающий более быстрое получение информации о таких важных параметрах для оценки экологического состояния водоемов, как величина первичной продукции и биомасса на первом трофическом уровне.

Научное и практическое значение для экологии водных систем, океанологии и лимнологии имеют:

- экспрессный флуориметрический метод определения концентрации хлорофилла;

спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции в акватории;

результаты исследования механизма формирования вертикальной стратификации интенсивности флуоресценции хлорофилла и причин ее суточной вариабельности;

- результаты исследования сезонного изменения величины первичной продукции акваторий.

Внедрение результатов работы.

Результаты исследований, полученных в диссертационной работе, использовались при выполнении в 2001-2002 г. г, научно- исследовательской работы "Разработка экспрессного метода экологического мониторинга акваторий" номер гос. регистрации 01200109372, в ГБ НИР ФПБЭИ-2к за г., в НИР по гранту Миннауки РФ номер гос. регистрации № 75405 в 2005 г. и в Дагестанском филиале ФГУП «КаспНИРХ».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на двадцать третьей научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ (Махачкала, 2001г.), на седьмой конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 2001г.), на восьмой международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт Нетербург, 2002 г.), на пятой международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (Санкт-Петербург, 2002 г.), на всероссийском НТК «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» (Махачкала, 2003 г.), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ГЭТУ (Санкт-Петербург, 2000-2006 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них - 4 статьи и 5 работ в материалах международных и всероссийских научно технических конференциях, 1 статья находится в печати.

II Структтра и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 156 наименований.

Основная часть работы изложена на 93 страницах машинописного текста.

Работа содержит 24 рисунка и 18 таблиц.' Структура диссертации В первой главе диссертации проведен обзор современных представлений о роли фитопланктона в продуктивности водоёмов, а также проведены систематизация и анализ основных, использующихся на практике, методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в водоемах.

Отмечено, что основная трудность, не позволявшая до настоящего времени реализовать экспрессные спектральные оптические методы определения концентрации хлорофилла и первичной продукции водных экосистем заключалась в отсутствии методов, позволяющих учесть специфику биологических объектов, являющихся гетерогенными конденсированными средами. В последнее время был разработан общий подход к оптическим спектральным исследованиям жидких биологических сред. В связи с вышеизложенным представляется актуальным разработать на основе этого подхода новые экспрессные методы определения концентрации фитопланктона и первичной продукции, а также провести их исследование. В заключении главы сформулированы цель и основные задачи работы.

Во второй главе рассмотрена оптическая модель клетки фитопланктона, позволяющая учесть влияние на регистрируемую величину флуоресценции хлоропласта эффекта дискретности частиц фитопланктона, оптической плотности фотозащитных пигментов и квантового выхода флуоресценции при различных уровнях освещенности и концентрации биогенных элементов. На основании этой модели предложен способ экспрессной оценки концентрации клеточного хлорофилла, не требующий предварительного экстрагирования содержащихся в клетках пигментов, а также получено уравнение для расчета величины первичной продукции акватории с использованием результатов гидрофлуориметрических исследований и рассмотрены способы экспрессного дистанционного определения параметров, необходимых для расчета динамики изменения величины первичной продукции в морских акваториях.

В третьей главе описана исследовательская аппаратура и представлены результаты определения гидрофизических характеристик, необходимых для использования разработанных методов в черном море, а также Среднем и Южном районах Каспия.

Исходные данные в случае Черного моря были заимствованы из литературы. Вертикальные стратификации плотности воды и солнечная освещенность исследованных районов Каспийского моря определялись экспериментально.

Приведены результаты измерения зависимостей температуры и электропроводности морской воды Южного Каспия, а также западного и восточного районов Среднего Каспия в зависимости от глубины, на основании чего определено изменение плотности воды с глубиной с использованием океанографических таблиц. Зависимость освещенности от глубины в течение года оценивалась на основании усредненных экспериментальных данных о освещенности на поверхности воды и вертикального распределения показателя поглощения морской воды. Показатель поглощения определялся исходя из значений показателя ослабления и глубины, измеренных с помощью прозрачномера «Квант».

В четвёртой главе приведены результаты исследования экспрессных методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в Черном море и в различных районах Каспия. Показано, что результаты определения вертикального распределения концентрации хлорофилла в Черном море с использованием разработанного метода и экстракционного метода Джеффри-Хамфри дают аналогичные результаты в пределах погрещности 30...40%. Экспрессный безэкстракционный метод также был использован для объяснения суточной зависимости интенсивности флуоресценции фитопланктона. Показано, что с помощью предложенного метода удается объяснить ранее не находившее объяснение значительное (в несколько раз) изменение интенсивности флуоресценции хлорофилла фитопланктона в течение суток. Проведён сравнительный анализ результатов экспериментального определения первичной продукции Черного и Каспийского морей с литературными данными. Установлено, экспериментально полученное изменение первичной продукции Черного моря в течение года вполне удовлетворительно описывается в рамках предложенного метода. Установлено, что с использованием предложенного метода удается описать основные закономерности изменения величины первичной продукции в Каспийском море.. Кроме того, находит объяснение соотношение величин первичной продукции в исследованных регионах - в западной и восточной частях Среднего Каспия и Южного Каспия. Сделан вывод о том, что основной причиной этих различий являются особенности гидрологических характеристик районов - вертикальные стратификации плотности воды и питательных веществ.

В целом, полученные результаты свидетельствуют о работоспособности предложенных методов экспрессного определения экологических характеристик акваторий.

На основании результатов исследования предложена биотехническая система (БТС) оценки экологического состояния акваторий с использованием данных о концентрации хлорофилла и первичной продукции.

Далее следуют заключение, содержащее основные выводы по работе и список цитированной литературы.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯННЕ НРОБЛЕМЫ ОНРЕДЕЛЕНИЯ НОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ 1.1. Ноказатели экологического состояния акваторий.

Роль фитопланктона (ФП) в познании режима водных экосистем огромна.

Наиболее показательные компоненты ФП, их количество и биомасса использз^отся при биологическом анализе физиологического состояния и гидробиологической производительности водных сред. Фитопланктон является основными продуцентом органического вещества в водоёмах, за счёт которого существует большинство обитателей водных экосистем. Продукция фитопланктона в Мировом океане составляет около 550 миллиард тонн, что десятикратно превышает продукцию всего живого в океане. Фитопланктон непосредственно или через промежуточные звенья пищевых цепей служит источником питания многих промысловых животных: кальмаров, рыб, китов и др. Фитопланктон является индикатором состояния водоемов. Именно поэтому его изучение имеет большое значение для определения продуктивности и экологического состояния водных экосистем [1,2-9], Первичная продукция (ПП) - результат жизнедеятельности растительных организмов — характеризует итог процесса фотосинтеза, в ходе которого органическое вещество синтезируется из минеральных компонентов окружающей среды. Таким образом, первичная продукция представляет собой массу новообразованного органического вещества за определенный период времени. Мерой 1111 является скорость новообразования органического вещества.

Обращаясь к истории развития методов исследования ФП, необходимо отметить, что чёткие хронологические рамки разработки и применения тех или иных методов указать довольно сложно ввиду некоторой специфики развития самой планктонологии в качестве отдельной науки.

Исходя из значимости количественного исследования фитопланктона, уже с начала двадцатого века первоначально немецкие, а затем и российские биологи уделяли особое внимание разработке методов определения биомассы, а затем и первичной продукции фитопланктона. [1,7, 11, 12].

В настоящее время гидробиология не располагает безупречной методикой измерения 1111 в водной среде, и в системе допущений, принятых для расчета различных видов продукции, есть много неточностей, свидетельствующих о наличие практически непреодолимых трудностей, связанных с объективных сложностью природных экосистем. В следствии этого, все получаемые оценки продукции следует считать приближенными и даже ориентировочными. [И, 12].

1.2. Существующие методы оценки величины первичиой продукции и биомассы фитоплаиктона.

1.2.1. Методы оцеики биомассы фитопланктона.

Первоначально (с конца 19 и в первую треть 20 веков) исследователи пользовались методами, позволяющими примерно оценить массу планктона.

Данную задачу решали с применением различных механических средств, таких как микросети. В это же время активно применялись батометры, посредством которых из водоёма отбиралась проба и впоследствии при помощи различных насосов или ручных помп, она пропускалась через бумажные или шёлковые фильтры и, как результат, исследователи могли получать сырую массу фитопланктона [3, 5].

При наличии хорошо оборудованной химической лаборатории может быть произведен химический анализ организмов планктона на содержание в них зольных элементов, белков (протеинов), жиров, углеводов, азота и фосфора, которые можно использовать в качестве мерила массы планктона.

Разумеется, наиболее пригодны те из них, которые отличаются большим постоянством,- к коим относится и углерод. Углерод наименее изменчивая составная часть. В растениях он составляет 53±5% от сухого органического вещества. Величины 60% и 40% редко встречаются в природных популяциях. Стрикланд для морского ФП принимает содержание углерода равным 50±5% от сухого органического веса, а по отношению к альгологическуму весу или объему — 9-15%.

Сетный счет планктона - самый старый, его создателем был Виктор Гензен. Точность метода — около 5%. Он имеет значительные преимущества перед другими методами [15]:

1. При счете виден внешний вид, размеры, форма, иногда можно судить о том, мертвый или живой организм, особенно если использовать флуоресцентную окраску.

2. При счете легко определить плотность даже бедных популяций.

3. При счете можно отделить небольшое количество особо интересующих организмов от других и от нежелательных примесей.

Но метод имеет и два существенных недостатка:

1. Он весьма трудоемок и утомителен, особенно когда бывает необходимо получить достаточно точные результаты.

2. Сосчитываемые единицы часто бывают весьма неравноценны, имея разные размеры, объемы, особенно когда за единицу при счете у одних принимается клетка, у других - колонии.

Второй недостаток преодолевается, когда одновременно со счетом производится определение объема или веса сосчитываемых организмов.

Умножением средних объемов или весов организмов на их численность (плотность) определяется их биомасса, выражаемая в объемных или весовых единицах.

Обычно при счетном методе подсчитываются или все организмы, находящиеся в пробе, когда их немного, или, как это делается чаще всего, ограничиваются подсчетом в части пробы. Из просчета 3-4 таких порций В В Д Т среднее, по которому определяют количество организмов во всей ЫОЯ пробе [3].

Перед взятием части пробы планктона последнюю приводят к определенному объему, разбавляя или концентрируя ее в зависимости от частоты подсчитываемого организма. Разбавляют пробу чистой профильтрованной водой, а концентрируют или, осаждая ее, и затем осторожно отсасывая сифоном излишек жидкости, или профильтровывая через фильтр.

Камерный метод сета введен в гидробиологию для подсчета планктона Кольквитцем в 1905г.

Разработано большое количество камер, в зависимости от размеров особей применяют различные из них. Например, камера Касси имеет вид желоба длиной 28см, глубиной 2,2см и шириной 1см с боками, наклоненными под углом 45°. Дно желоба делится на прямоугольники, размер которых (1x0.8) соответствует полю зрения стерео бинокулярного микроскопа.

Для подсчета более крупных представителей ФП при титре не более сотни в 1мл пригодны камеры Кольквитца и Наумана емкостью 1мл [3].

Плоские счетные камеры имеют недостаток, объем их мал, и поэтому при низких продукциях планктона или учете редко встречающихся планктеров они являются непригодными.

Для преодоления этих недостатков необходимо использовать камеры большего объема - трубчатые или цилиндрические, на дне которых происходит осаждение планктона, а подсчет его производится обычно с помощью особой конструкции перевернутого микроскопа, или с применением специальных двойных камер.

Такие камеры наполняются водой, содержащей планктон, прибавляется раствор йода. Планктон осаждается на дно. Осторожно через боковую щель вдвигается тонкий диск. Верхний отдел камеры, свободный от планктона, удаляется. Нижний отдел камеры с осевшим на дне планктоном исследуется с помощью длиннофокусного объектива с увеличением 40".

Вес сухого органического вещества в ФП можно определить исходя из содержания хлорофилла в планктоне, если принять, что хлорофилл в сухом органическом веществе составляет 2.91% [7]. Следовательно, умножением содержания пигмента в планктоне на коэффициент 34.4 получаем вес сухого органического вещества планктона. Однако метод определения сухого веса планктона по содержанию в нем хлорофилла считается неудовлетворительным из-за различного содержания пигмента живых клеток, так, например, Chlorella, выращиваемая на ярком свету, содержит только 0.03% хлорофилла от сухого веса клетки, а на слабом свету тот же организм продуцирует хлорофилл до 6% от сухого веса [13].

С начала 50-60-х годов активно развиваются методы, в основе которых лежат оптические свойства хлорофилл - содержащих клеток ФП [14]. Следует указать, что о возможности такого пути исследования говорили некоторые российские и немецкие учёные еще в начале двадцатого века [1, 4], но тогда его реализация затруднялась отсутствием соответствующего технического обеспечения.

Одним из первых оптических методов был хлорофилловый. Сущность хлорофиллового метода заключается в хорощо известной способности некоторых органических растворителей (эфир, этиловый спирт, ацетон и др.) извлекать (экстрагировать) зеленый пигмент из растительной клетки.

Значительное упрощение в методику определения содержания хлорофилла внес Харвей, впервые применивший этот метод в водах близ Плимута для оценки массы фитопланктона по количеству хлорофилла. При этом Харвей сборы планктона тоже производил сетями, усовершенствовав их тем, что сетка была снабжена счетчиком, регистрирующим объем профильтрованной воды.

Суть метода Харвея сводится к тому, что с помощью ацетона извлекается красящее вещество клетки, сообщающие вытяжке желтовато-зеленую окраску различной интенсивности в зависимости от содержания и состава растительных организмов в пробе. Цвет полученной вытяжки сравнивается в колориметре Дюбоска со стандартной шкалой, приготовленной из слегка подкисленных растворов NiS04 Х7Н2О и К2СГО4. Один миллилитр такой концентрации раствора указанных солей по окраске соответствует одной произвольной "единице растительного пигмента" (Харвей). Что касается произвольной "единицы растительного пигмента" Харвея, то ее можно выразить в количестве экземпляров растительных организмов, подсчитав их в данной пробе. Таким образом "единица растительного пигмента" может служить мерилом оценки содержания растительных организмов. Метод далек от совершенства, он завышает содержание зеленого пигмента.

Одним из первых, использовавших оптические свойства, был метод, разработанный в начале 50-х годов и основанный на получении и дальнейшем исследовании экстракта ФП [14]. Экстрагирование производится путём фильтрации исследуемой пробы. Пробоподготовка содержит несколько повторяющихся этапов. Полученный экстракт переносят в кювету фотоэлектрического колориметра и по поглощению находят в таблице количество хлорофилла. Данный метод отличает гораздо более высокая скорость по сравнению с модификациями метода «склянок».

Теперь рассмотрим хлорофилловый метод. Сущность метода состоит в том, что фильтры с осевшим на них планктоном просушивают и просветляют иммерсионным маслом, после чего непосредственно подвергают фотометрированию. Измеряется поглощение света в области максимального поглощения хлорофилла «а» и в более длинно волновой части спектра, где поглощение света уже практически не зависит от хлорофилла и других пигментов и передаёт только поглощение и рассеяние света самим фильтром и частицами сестона. Последняя величина в широких пределах не зависит от длины волны. Это даёт возможность судить о том, какая доля от поглощённого света приходится на неспецифическое поглощение, и по разности двух измеренных величин получить поглощение света, зависящее от хлорофилла «а». Данный метод впервые был применён Крепсом в 1930 году.

Определение содержания хлорофилла «а» [16] проводили с помощью стандартного спектрофотометрического метода [17]. Пробы воды объемом 6- л фильтровали через мембранные фильтры "Сынпор-6" диаметром 70 мм.

Перед началом фильтрации на них наносили слой углекислого бария из расчета 1 о мг на 1 см фильтрующей поверхности. Фильтры с осадком высушивали при комнатной температуре в открытых чашках Петри в течение нескольких часов, а затем помещали в эксикатор с силикагелем, который устанавливали в холодильник с отрицательной температурой. Через 1-2 недели производили экстрагирование фильтров (с их растворением) 90%-ным раствором ацетона раза в течение 30 мин. После каждого экстрагирования экстракт очищали от взвеси на центрифуге ЦЛП-2 при 7-8 тыс. об/мин'' в течение 10 мин и переливали в мерную пробирку. Общий объем экстракта составлял 10 мл.

Спектр его пропускания записывали на самопишущем спектрофотометре СФ 18 в кюветах с рабочей длиной 2 см. Концентрацию хлорофилла «а»

рассчитывали по формуле Джеффри и Хамфри [28] для смешанного фитопланктона.

Интенсивность флуоресценции образца воды, содержащего фитопланктон, определяется уравнением [27] где Л^— концентрация фотосинтетических реакционных центров в единице объема воды;

поперечное сечение поглощения S{^ светособирающей антенны одного реакционного центра, зависящее от длины волны возбуждающего света (т. е. спектр поглощения комплекса светособирающих пигментов реакционного центра);

/ехсС'^) ~ абсолютное спектральное распределение интенсивности света, возбуждающего флуоресценцию;

/exc^^xcU) ~ интегральная интенсивность возбуждающего света;

нормированная функция спектрального i{^)= hxci^Vhxc ~ распределения' возбуждающего света;

qFQ- квантовый выход флуоресценции при открытых реакционных центрах;

G- фактор, зависящий от геометрии светосбора и чувствительности устройства, регистрирующего интенсивность флуоресценции.

где поперечное сечение поглощения одного S- ^i{})-S{}) реакционного центра (размер светособирающей антенны) для данного спектрального распределения возбуждающего света /(Я) при равномерном спектральном распределении возбуждающего света(/(/1) = const), S- интеграл спектра поглощения светособирающей антенны.

Таким образом, пропорциональна суммарной величине FQ светособирающей антенны (N-S) всего фитопланктона, находящегося в единице объема воды, и характеризует количество света, поглощаемого данной популяцией ФП. В разработанном нами флуориметре не предусмотрено выравнивание энергии возбуждающего излучения по спектру. Однако потенциально параметр FQ более пригоден для количественной оценки содержания ФП, чем измерение концентрации хлорофилла «а», так как полоса возбуждения флуоресценции в этом приборе охватывает почти весь спектральный диапазон фотосинтетически активной радиации от 400 до 650 нм.

Представляется интересным рассмотреть метод непрерывного зондирования фитопланктона в водоёмах путём регистрации замедленной флуоресценции [29]. В отличие от быстрой флуоресценции хлорофилла, интенсивность замедленной флуоресценции определяется не общей концентрацией пигмента, а количеством активно функционирующих реакционных центров фотосинтеза. Для регистрации замедленной флуоресценции ФП в природных водах разработана высокочувствительная установка. Она создана на основе цилиндрического фосфороскопа с темновым интервалом между освещением объекта и измерением свечения составляющим 3 мс. В качестве светоприёмника используется фотоэлектронный умножитель с Н З И уровнем шумов, сигналы с которого регистрируются через усилитель ИК М самописцем. Освещение образцов производится от диапроектора галогенной лампой мощностью 250 Вт через светофильтр.

Измерения замедленной флуоресценции можно производить как на отдельных пробах, взятых из водоёма батометрами и помещённых в кварцевую кювету, так и непосредственно при подаче воды в специальную проточную кювету. При работе с отдельными пробами время, затрачиваемое на измерение одной пробы, составляют не более 5 минут, причём в основном оно уходит на подготовку и замену проб. Для непрерывного зондирования распределения ФП сконструирована приставка, в которую входит располагающаяся внутри фосфороскопа кювета с проточной подачей воды, позволяющей производить непрерывную регистрацию продольных и глубинных профилей распределения активного ФП в водоёме.

Одним из самых современных оптических методов несомненно можно считать дистанционный мониторинг [30-33]. Данным методом определяются экологические параметры водной поверхности по спектральному распределению вышедшего из воды излучения. Физической основой данного метода является связь спектральных отражательных характеристик воды с коэффициентом диффузного отражения и с характеристиками-индикаторами загрязнения. Эта связь определяется разностью поглощения и рассеяния света на молекулах чистой воды и пигментах фитопланктонных организмов, бактериофлоры и загрязняющих веществ. К несомненным достоинствам данного метода относятся оперативность получения и пространственное осреднение данных натурных измерений, более точная привязка точек контрольных измерений по сравнению с натурными на больших озёрах, возможность индикации перемещения фотического слоя на глубину светового оптимума. Один из авторов вертолётной модификации метода дистанционного мониторинга К. Я. Кондратьев указывает на необходимость разработки высокоточных методов контактных измерений, так как без этой основы невозможно получить точной картины экологической ситуации на объекте исследования. Среди методических недостатков дистанционного мониторинга он указывает на невозможность получения достоверных результатов при неравномерном освещении водной поверхности в облачную погоду и зависимость от волнения водной поверхности, которое не должно превышать баллов [36].

1.2.2. Существующие методы оценки величины первичной продукции.

1.2.2.1. Оценка величины первичной продукции па осповании анализа проб воды.

Важнейшим направлением современных биогидрохимических исследований в связи с проблемой загрязнения водной среды является разработка корректных расчетных методов, прогноза изменения биопродуктивности водной среды на основе имеющейся информации о характеристиках среды обитания.

Почти все измерения фотосинтеза в природных водоемах базируются на определении продукции и потребления кислорода планктоном в воде, заключенной в светлых и темных склянках. Этот косвенный метод получил название скляночного метода и был впервые применен для измерения интенсивности фотосинтеза морского фитопланктона Пюттером.

Сущность метода заключается в подвешивании небольших склянок (обычно парами или тройками), содержащих воду с водорослями, на различной глубине в эвфотическом слое или в инкубаторе на борту судна, где для освещения используется солнечный или искусственный свет, и в измерении через определенный промежуток времени (обычно через 24 часа) образования и потребления кислорода в них методом Винклера. Разница в содержании кислорода в светлых и затемненных склянках после суточной экспозиции показывает величину фотосинтеза ФП.

Критерием интенсивности фотосинтеза может служить не только изменение содержания кислорода в светлых и затемненных склянках, но и изменение прироста органического углерода, содержание углекислоты, электропроводности воды, изменения содержания биогенных элементов [25].

Однако кислородный метод отличается наибольшей чувствительностью, большей надежностью и поэтому он получил более широкое применение.

Во многих малопродуктивных природных водах, особенно океанических, скорости фотосинтеза на единицу объема слишком малы для точных определений, если при этом не применяются экспозиции продолжительностью 12 часов и более. Так как таких длительных экспозиций лучше избегать, то для преодоления этой трудности подходит наиболее чувствительная для определения первичной продукции, радиоуглеродная модификация скляночного метода [26, 34] с 3-4 часовой экспозицией.

Принцип определения первичной продукции радиоуглеродным методом основан на допущении, согласно которому внесенный в склянки меченный углерод (обычно в виде Иаг^'^СОз ) включается в процессы фотосинтеза органического вещества с той же скоростью, что и не меченный изотоп углерода '''С. Полученная радиоуглеродным методом оценка ПП не может быть безоговорочно отнесена ни к валовой, ни к чистой продукции. Однако установлено, что при краткосрочных экспозициях склянок (2-4 часа) радиоуглеродный метод дает значения продукции, близкие к валовой, а при длительных (12-24 часа) - близкие к чистой. Следует отметить, что экспозиция склянок в течение суток приемлема только в умеренных и холодных водах при очень низких уровнях фотосинтеза, в тропических и продуктивных водах экспозиция проб не должна превышать 6—10 часов. Определения первичной продукции радиоуглеродным методом осуществляется по стандартной схеме:

отбор проб, добавление изотопа, экспозиция, фильтрация и определение радиоактивности фильтров.

В последние годы разработаны и внедрены в практику работ электрохимические методы определения кислорода в воде для оценки 1111 на основе погружаемых датчиков. Однако повсеместное внедрения этих приборов в практику работ еще не произошло из-за высокой стоимости систем и отсутствия серийного выпуска отечественной аппаратуры.

При определении первичной продукции кислородным методом пробы [37] отбирались в калиброванные светлые склянки объемом 0,35 л, изготовленные из прозрачного пластика с гидрофобной поверхностью, и экспонировались затем в экспериментальных бассейнах в условиях, близких к «in situ» по освещенности и температуре. Для создания освещенности около 1 % поверхностный бассейн затенялся синей тканью разной плотности. Экспозиция проб составляла 3-7 ч.

Пробы отбирались и экспонировались только в дневное время (6-19 ч).

Определение кислорода проводилось по методу Винклера с использованием автоматической бюретки Дженконса (Великобритания). Точность метода составляла ±0.01 мл/л. Для определения ПП с одного горизонта отбиралось три пробы: одна для определения исходного количества кислорода и две для постановки параллельных экспериментов. Как правило, параллельные титрования кислорода (после экспозиции в экспериментальном бассейне) давали хорошую сходимость: расхождения не превышали 0,01-0,02 мл Ог/л.

Для перехода от часовой ПП к суточной использовались коэффициенты, экспериментально полученные Сорокиным [35] для разных периодов светового дня. С 6 до 19 час значения этих коэффициентов изменялись от 14 до-19.

Для определения первичной продукции радиоизотопным методом в [37] пробы разливали в стеклянные флаконы объемом 100 мл с притертыми пробками.

В каждый флакон автоматической пипеткой добавляли по 0,4 мл стерильного раствора ИаН^'^СОз (12,5 мкКи), приготовленного на морской воде, и экспонировали в течение 24 час в открытом бассейне на палубе корабля. При каждом измерении использовали два прозрачных флакона для определения суммарной интенсивности фото- и хемосинтеза и два темных флакона, покрытых алюминиевой фольгой. Один из них использовали для определения интенсивности хемосинтеза, другой служил контролем. В него перед добавлением раствора NaH''*C03 вносили сухой мертиолят до конечной концентрации 0,1 г/л.

При этом все биологические процессы прекращались.

По завершении экспозиции содержимое флаконов фильтровали через капроновые мембранные фильтры диаметром 25 мм с размером пор 0,2 мкм.

Затем для удаления остаточных карбонатов фильтры 3-4 раза промывали морской водой, подкисленной фосфорной кислотой до рН =2-3. Подсушенные на воздухе фильтры упаковывали в сцинтилляционные стаканы для последующего определения их радиоактивности. Измерение радиоактивности фильтров проводили в {Институте микробиологии РАН на жидкостном сцинтилляционном счетчике Rack-Betsa 1219 (LICB, Швеция) в толуольном сцинтилляторе ЖС-106.

Величину первичной продукции рассчитывали по формуле мгС/(л сут) = -^ —, Rt где г - радиоактивность органического вещества (имп/мин);

S + A — содержание растворенного минерального углерода в образце воды с учетом внесенного МаН'^'СОз;

24 - количество часов в сутках;

начальная R радиоактивность внесенного во флаконы NaH'^'COa (имп/мин);

t продолжительность экспозиции (часы).

В [16] измерения первичной продукции проводили с помощью радиоуглеродной модификации скляночного метода. Для измерения продукции на определенном горизонте использовали 2 светлых и 1 темную склянки объемом мл. В каждую склянку перед началом экспозиции добавляли по 0,4 мл меченной по углероду радиоактивной соды активностью 19 мк кюри-мл''. Склянки экспонировали в течение второй половины светового дня (с полудня до захода) в условиях «in situ»

или в палубном инкубаторе с проточной морской водой.

При измерении продукции «in situ» склянки с пробами воды, взятой с разных глубин, опускали на тросе с освещенного солнцем борта судна на те же горизонты.

На некоторых станциях, на которых «рабочий» борт судна был в тени, трос со склянками присоединяли к бую, который во время экспозиции склянок опускался на поводке на 100-300 м от судна. В этом варианте пробы, взятые с поверхности, экспонировались в палубном инкубаторе. Следует отметить, что эксперименты, проведенные в рейсе, не показали достоверных различий между величинами продукции, измеренными в пробах с нулевого горизонта в условиях «in situ» в поверхностном слое и в палубном инкубаторе.

После окончания экспозиции содержимое склянок профильтровывали через чешские мембранные фильтры «Сынпор-6» диаметром 35 мм и с размером пор 0, мкм. Фильтры устанавливали в фильтровальные воронки с диаметром фильтруюш;

ей поверхности 20 мм. Фильтрацию проводили под вакуумом с остаточным давлением 0,5-0,8 атм. После фильтрации фильтры 4 раза промывали фильтрованной морской водой (4X30 мл). Фильтры высупшвали в открытых чапшах Петри в течение ночи при комнатной температуре, а затем помещали в матовые флаконы со сцинтилляционной жидкостью "Lipoluma" (по 10 мл на флакон). Через несколько часов проводили учет активности фильтров на сцинтшшяционном радиометре "Coruflow" (США). Время счета - 3-6 мин в зависимости от активности фильтра.

Расчет продукции в пробе за день проводили по формуле где Сф - дневная продукция, мгС м"^ в день;

Q - общее количество углерода во всех формах углекислоты, принятое равным 25000 мг С м"^;

г^.^ и г^ - активность фильтров, полученная после экспозиции светлых и темных склянок;

R^ — исходная активность рабочего раствора изотопа, внесенная в склянки (8.1 10^ имп. мин'');

ро активность стандартного препарата в день определения RQ;

Pi - активность стандартного препарата в день определения г^^ и к,..

1.2.2.2. Оценка величины первичной продукции методом непрерывного зондирования Определение величины первичной продукции методом непрерывного зондирования с помощью флуориметра ПримПрод [37] основывается на одновременном измерении «in situ» подповерхностной освещенности, температуры и параметров фотосинтеза: интенсивности флуоресценции водорослей (FQ) И показателя фотосинтетической активности водорослей относительной переменной флуоресценции ).

{F^/F^ Флуориметр состоит из погружаемого зонда (вес 9 кг, диам. 25 см) и бортового блока питания, соединенного с зондом и с IBM совместимым компьютером, который управляет процессом измерений по программе, задаваемой пользователем. Регистрирующая часть зонда состоит из фотоприемника (фотоумножителя), усилителя сигналов, аналого-цифрового преобразователя, интерфейса связи с компьютером и двух независимых импульсных источников света с длительностью вспышек 0,01 мс (спектральная область 400-480 нм).

Первая слабая зондирующая вспышка с энергией 0.01 Дж обеспечивает измерение фоновой флуоресценции {FQ), которая после соответствующей калибровки по стандартным методам позволяет оценивать количество хлорофилла природного ФП. Вторая мощная вспышка с насыщающей для фотосинтеза энергией (1 Дж) позволяет оценивать фотосинтетическую активность ФП. Эта вспышка включается перед зондирующей вспыщкой.

Мощное освещение приводит к восстановлению первичных акцепторов фотосистемы 2 и увеличению интенсивности флуоресценции до максимального уровня ( F ^ ). Флуориметр регистрирует степень индуцированного мощной вспышкой усиления интенсивности флуоресценции позволяет ЧТО F^=F^~FQ, рассчитать эффективность использования света микроводорослями по Использование в зонде датчика подводной освещенности позволяет по измерению переменной флуоресценции освещенности оценивать И {F^/F^) вертикальное распределение величины фотосинтетической продукции. Расчет проводился в автоматическом режиме по формуле, в основе которой лежит модель первичных реакций фотосинтеза, предложенная Кифером [28, 29]:

PP{d) = skl(d)F,{d) где PP{d) - суточная первичная продукция;

d- глубина;

^о(б/)и F^ - соответственно вертикальные профили постоянной и относительной переменной флуоресценции;

l{d) — вертикальный профиль интегрированной по спектру в области ФАР подводной освещенности;

/i/2- интенсивность света, полунасыщающая фотосинтез;

определена нами как 27 Вт м'^;

к — калибровочный коэффициент, найденный подстановкой в левую часть формулы первичной продукции, измеренной радиоуглеродным методом;

равен 1,2 по данным, полученным с 9 по 12 сентября 1995 г. в совместном Российско-польском рейсе НИС «Oceania» ИО Польской АН в центральных водах Балтийского моря;

S - коэффициент для пересчета часовой первичной продукции в суточную [35].

Резюмируя итоги рассмотрения перечисленных методов, необходимо отметить, что существующие аналитические прямые методы определения (например, по '"'С или по Ог) часто дают несопоставимые результаты. Причем оценки скоростей первичной продукции по О2 в морской среде, как правило, в 2-5 раз выше в сравнении с результатами по ''*С. Кроме того, скляночные методы весьма трудоемки - проведение анализа одной пробы длится, как правило, не менее суток.

Вместе с тем, используются расчетные методы определения ПП по. разности концентраций биогенных веществ (фосфатов, нитратов, силикатов и других) в начале и конце продуктивного сезона [38]. Однако они не учитывают многократного круговорота биогенных веществ в морской среде и не могут считаться надежными.

Очевидно, что наиболее репрезешшивной может считаться такая методика расчета продуктивности" среды, которая основана на анализе изменения потоков биогенных веществ (соединений С, Si, N, Р) в экосистеме вследствие активности гидробионтов при осуществлении ими процессов потребления веществ и выделения продуктов обмена, а также отмирания биомассы. Активность гидробионтов в водной среде формируется условиями поступления питательных веществ в водоем из внешних источников (биогенная нафузка) и гидродинамического переноса веществ внутри водоема. Скорость продуцирования биомассы гидробионтов регулируется факторами среды обитания (температура, освещенность, прозрачность водной среды).

Что касается флуориметрического зондирования, то для его реализации необходима весьма сложная аппаратура, помимо прочего, требующая высокой чувствительности ввиду низкого уровня флуоресценции фотопигментной системы — 2. Вышеизложенное свидетельствует о том, что существующие методы не обеспечивают требуемой экспрессности и точности определения основных характеристик экологического состояния акваторий. Поэтому разработка экспрессных методов определения первичной продукции и концентрации хлорофилла в акваториях является весьма актуальной. Наиболее подходящими для решения этой задачи являются методы оптического спектрального анализа.

Представляется перспективным использовать современные представления о взаимодействии света с веществом для разработки новых методов определения первичной продукции и концентрации хлорофилла в акваториях [50].

1.3. Общий подход к оптическим спектральным исследоваииям биологических сред.

1.3.1. Характерные особениости биологического объекта как предмета спектральных исследоваиий.

Биологические объекты, предназначенные для спектрального анализа, находятся в конденсированной фазе (биологические ткани, жидкости). В то же время технически и методически наиболее удобно проводить исследования истинных растворов. Поэтому обычно стараются перевести исследуемое вещество в раствор. Однако при таком подходе изменяется характер спектральных проявлений межмолекулярное взаимодействие (ММВ) и, следовательно, искажается информация об исследуемом объекте. Эти искажения должны быть учтены в методике проведения конкретного анализа.


Кроме того, в случае биологического объекта подобное преобразование среды возможно провести только «in vitro» (т. е. на неживом объекте). Между тем при переходе от живого объекта «in vivo» к состоянию «in vitro» исчезают процессы внутриклеточного преобразования веществ и их трансмембранного обмена с окружающей средой, характерные для живого организма. Это приводит к изменению количественного и качественного состава исследуемого вещества.

Кроме того, большинство органических молекул лабильны, вследствие чего в объекте «in vitro» происходит накапливание не характерных для состояния «in vivo» продуктов разложения. Поэтому предпочтительным является проведение исследований биологических веществ «in vivo» или даже в среде обитания «in situ».

Несмотря на успешное развитие методов спектрального анализа биологических объектов, изучение их спектральных свойств, встречает ряд трудностей. Некоторые из них связаны со специфическими оптическими свойствами биологических сред. Существуют различные аппаратурно методические приемы для преодоления сильного светорассеяния, слишком больщой или, наоборот, слишком малой величины оптической плотности, светочувствительности образца. Они основаны на применении стандартной и специально разработанной аппаратуры. Влияние светочувствительности образца снижают использованием низко интенсивных источников излучения и соответственно высокочувствительных фотоприемников (фотоумножителей) в составе высокоскоростных спектрометров. Для уменьшения влияния светорассеяния на результаты фотометрирования пользуются интегрирующими сферами, располагаемыми непосредственно за образцом и собирающие рассеянное излучение, компенсирующими светорассеяние матовыми пластинами и др.

Для регистрации больших оптических плотностей используют методы отражения, нарушенного полного внутреннего отражения и др. В ряде случаев светорассеяние частично снижается добавлением к объекту веществ, увеличивающих показатель преломления среды (сахарозы, глицерина), что приводит к уменьшению разницы показателей преломления раствора и содержащихся в нем рассеивающих частиц (митохондрий, хлоропластов, форменных элементов крови, клеток водорослей или бактерий и др.). В некоторых случаях удается внести поправки на светорассеяние путем экстраполяции показателя поглощения из спектральной области, где оно практически отсутствует, в исследуемую область, где поглощение велико. Но эти методы, позволяющие в определенной мере учесть перечисленные особенности биологических сред, далеко не полностью исчерпывают его специфику.

Известно, что основной отличительной особенностью биологических сред по сравнению с модельными истинными растворами и однокомпонентными жидкостями является их гетерогенный (неоднородный) характер. Он обусловлен клеточным строением живой материи, которое является неотъемлемым свойством биологических объектов, вызванным необходимостью обеспечить оптимальные условия обмена веществ между живым организмом и окружающей средой. Общность этого принципа приводит к гетерогенности как внутри организменных жидких сред живого организма, так и жидких сред обитания биологических организмов, содержащих биотическую компоненту. Гетерогенность выражается в различном качественном и количественном составе внутри- и межклеточной среды. Так, для внутри организменных жидких биологических сред - это наличие форменных элементов в крови и спинномозговой жидкости, биологической взвеси в моче и др., а в случае жидких сред обитания - ФП и детрита в природных водах. Следствием этого являются пространственные изменения ряда локальных оптических характеристик биообъекта (показатель поглощения и показатель преломления) с характерным масштабом, соответствующим размеру клетки (единицы - десятки микрометров). При этом если изменения показателя поглощения могут быть значительны, то локальные вариации показателя преломления не превышают 10... 15%. Если внутриклеточная концентрация молекул, влияющих на оптические свойства среды, гораздо выше межклеточной концентрации, то задача исследования оптических характеристик жидкой биологической среды сводится к задаче исследования взвеси.

В настоящее время сложились четыре основные группы спектральных оптических методов исследования биологических объектов: абсорбционная спектроскопия, флуориметрия, спектроскопия комбинационного рассеяния и поляризационная спектроскопия (к которой, в частности, относится спектроскопия кругового дихроизма и оптического вращения). Регистрируемые при этом параметры спектральных полос (положение, интенсивность и форма) дают информацию о количественном и качественном составе биологического объекта, а также о его структурной организации.

1.3.2. Методология проведения количественных спектральных исследований бнологическнх объектов.

Спектральные методы исследования в настоящее время нашли широкое применение при изучении биологических объектов. Они вошли в арсенал методов биофизических исследований биологических тканей [51, 52], используются в диагностической врачебной практике [53 - 55], а также при решении задач, связанных с исследованием компонентов окружающей среды биологического происхождения [32, 33], где практическим выходом является оценка экологического состояния биогеоценозов. Среди объектов этих исследований важное значение имеют жидкие биологические среды (ЖБС). С О Н Й стороны, они являются важными компонентами биоорганизмов. В ДО частности, их состав отражает процессы метаболизма, начиная с клеточного уровня. С другой стороны - это важнейший компонент окружающей среды — вода (атмосферная влага, грунтовые воды, пресноводные реки и водоемы, соленые моря и океаны), которая включает одно- и многоклеточные микроорганизмы, а также продукты метаболизма и разложения биоты.

Однако нужно отметить, что методы и средства оптического спектрального анализа в основном разработаны для исследования гомогенных систем (однокомпонентные жидкости и истинные растворы). В то же время жидкие биологические среды, как правило, имеют гетерогенный характер. Это обстоятельство зачастую препятствует проведению количественного спектрального анализа, а в ряде случаев приводит к качественно неверным выводам. До настоящего времени не были разработаны достаточно корректные подходы к учету гетерогенности биологических систем при проведении их флуориметрического анализа. Это сужает область применения оптических спектральных методов в практике исследования биологических сред и не позволяет в полной мере использовать их аналитические возможности.

При решении поставленной задачи в [50, 56] использованы представления об элементарном объеме объекта как минимальном объеме, средние оптические характеристики которого совпадают с характеристиками объекта. При таком подходе гетерогенный характер объекта учитывается путем задания структуры элементарного объема, в состав которого входят элементы, имеющие различные значения квантового выхода флуоресценции молекул и показателя поглощения частицы по ее объему (т), KJ И К2). Окружающая же элементарный объем, среда считается однородной и обладающей средними оптическими характеристиками объекта.

Таким образом, элементарный объем можно рассматривать в виде поглощающей или флуоресцирующей (в зависимости от используемого спектрального метода) неоднородной частицы, находящейся в однородной среде.

Рассмотрим общий метод спектрального исследования ЖБС, изложенный в [50, 56]. В [50, 56] выбрана оптическая спектральная модель ЖБС представляющая систему взвесь - раствор, которая физически обоснованна по следующим причинам.

1. Такая модель отражает реальные состояния, в которых находятся взаимодействующие с оптическим излучением вещества в ЖБС - в составе клеток и вне их.

2. Модель достаточно проста, чтобы на ее основании проводить математические расчеты.

3. Эффективность взаимодействия света с молекулами частиц взвеси и окружающей их гомогенной среды различна, что может быть учтено в рамках модели.

4. Органическое вещество, находящееся в виде частиц взвеси и в виде гомогенной среды, имеет разные спектральные характеристики. Модель позволяет учесть различие в спектральных проявлениях ММВ молекул, входящих в состав взвеси и раствора.

При использовании таких модельных представлений влияние эффекта дискретности частиц на регистрируемые спектры биообъекта учитывается путем определения фактора эффективности поглощения излучения или флуоресценции для элементарного объема с использованием формул [50] соответственно.

Поставленная спектральная задача получения спектров молекул, входящих в состав биологической среды, состоит в установлении связи между средней спектральной характеристикой элементарного объема и характеристиками флуоресцирующих молекул, входящих в различные компоненты его гетерогенной структуры [50]. Априорное задание вида этой структуры должно носить достаточно общий характер, чтобы иметь возможность рассматривать в рамках нее различные виды биологических сред.

Следует отметить, что указанная модель в принципе позволяет дать большую информацию о ЖБС, чем использование процедуры пробоподготовки, обычно состоящей в переводе органического вещества пробы в раствор. Получаемые при этом спектры молекул в ЖБС несут качественно новую информацию о характеристиках ближайшего окружения молекул. При этом появляется возможность учитывать различное влияние этого окружения на молекулы в составе частиц взвеси (в клетках) и в окружающей их среде (растворе). Тем самым открываются новые перспективы в использовании молекул в качестве природных флуоресцирующих зондов для исследования структуры ЖБС. Это позволяет извлекать из спектров флуоресценции принципиально новые сведения о процессах и явлениях в гетерогенных ЖБС, которые ранее терялись в результате пробоподготовки. Также важна возможность получить эту информацию «in situ». Для извлечения информации о спектральных характеристиках молекул из спектров ЖБС прежде всего необходимо найти связь между наблюдаемыми спектрами биообъекта и его элементарного объема [56].


Для этого требуется учесть ослабление объектом (за счет рассеяния и поглощения) излучения, дошедшего до элементарного объема и вышедшего из него. Делается это экспериментальным путем с использованием существующих методик, таких как измерение спектров поглощения образцов различной толщины на разных расстояниях до фотоприемника и др. После этого необходимо решить три задачи [50, 56]:

1. Учесть эффект дискретности частиц, установив связь между спектрами элементарного объема ЖБС и его компонентов — частицами взвеси и гомогенной средой. В ряде случаев решение этой задачи упрощается, и спектральные характеристики элементарного объема являются суммой соответствующих характеристик частицы и гомогенной среды.

2. Извлечь информацию о спектральных характеристиках молекул, входящих в состав частицы взвеси.

3. Извлечь информацию о спектральных характеристиках молекул органического вещества, существующего в виде гомогенной среды.

В [50, 56] разработаны конкретные методы учета влияния эффекта дискретности частицы на ее интенсивность флуоресценции и учета различий эффективного и среднего полей световой волны на спектры флуоресценции изотропных конденсированных систем и получены соответствующие математические выражения;

показано, что влияние реабсорбции света частицей на измеряемую интенсивность флуоресценции зависит как от ее характеристик (оптических плотностей на частотах возбуждения и излучения), так и угла между осями распространения возбуждающего и регистрируемого светового потока;

установлено, что учет влияния динамических межмолекулярных взаимодействий на спектры изотропных конденсированных систем, проведенный методом дисперсии эффективного поля световой волны, приводит к изменению всех характеристик спектральных полос — их спектрального положения, интенсивности и формы.

Спектры биологической среды Спектры частиц взвеси Спектры растворенной компоненты Учет дискретности частицы взвеси Спектры раствора частиц взвеси Учет спектральных проявлений Учет спектральных проявлений динамических ММВ в частицах динамических ММВ в растворе Спектры молекул в Спектры молекул в частицах взвеси растворе Рис. 1.1. Схема общего подхода к спектральному исследованию биологических сред.

Рассмотрим кратко некоторые аспекты этих методов, которые в дальнейшем будут использованы при разработке оптических спектральных методов безэкстракционного определения концентрации хлорофилла в воде и величины первичной продукции акваторий.

1.3.3. Учет дискретности частицы взвеси.

Показатель поглош;

ения N одинаковых поглощаюш;

их сферических частиц, находящихся в прозрачной среде объема V, для оптических толщин исследуемого слоя D 0.3 можно представить в виде:

(1.1) K,=NQ,s/V, где Q^ — безразмерный фактор эффективности поглощения, имеющий смысл отношения световой энергии, поглощенной частицей, к световой энергии, падающей на ее геометрическое сечение площадью s = nR {R радиус частицы [57]).

Для однородных сферических частиц значение Q^ рассчитывается аналитически:

(-p;

)/p;

+2[ехр(-р;

)-1]/рр, (1.2) Рассмотрим теперь соотношение между показателями поглощения взвеси однородных сферических частиц и раствора, содержащих одинаковое количество поглощающего вещества. Пусть вещество частиц обладает показателем поглощения к. Если вещество из N таких частиц с объемом v перевести в раствор, то показатель поглощения молекул в прозрачном растворителе будет:

(1.3) Kp=KNv/V.

Тогда с учетом формул (1.1) и (1.3) для сферических частиц объема V = 4я7?^/3 соотношение между К^ и Кр принимает вид (1.4) Q:.

Фактор непосредственно определяет соотношение показателей QI поглощения К^ и А'р.Соотношение между интенсивностями флуоресценции взвеси /д и раствора /р на основании формул [50] определяется выражением:

(1.5) h=IpQs/(vK,) = Q*I^, где для сферических частиц s = 7cR^, v = 4лК^/3 и тогда из формулы (1.5) имеем:

(1.6) Q*=3Q/{2p\).

Соответствующее рассмотрение влияния дискретности частиц на спектры флуоресценции проведено в работах [50], где получены формулы для расчета факторов эффективности флуоресценции частиц взвеси в зависимости от их радиуса и показателей поглощения на частотах возбуждения и регистрации флуоресценции.

1.3.4. Метод получения спектров молекулы в среде.

Спектры среды спектры B(V) нее молекул, связны И ВХОДЯЩИХ В K{V) множителем 0(v) [50]:

5i2(v)=/:(vO0a(v)/(Mv), (1.7) где 0д(v) = 9w'(v)/[w^(v)+2]^;

с = CQ/П' (CQ- скорость света в вакууме).

На рис. 1.2 приведены типичные дисперсии показателя преломления в области полосы поглощения, которые приводят к спектральной зависимости 0(v) и, следовательно, к различиям между показателем поглощения среды K{V) и спектром поглощения молекулы (рис. 1.3). Чем больше показатель преломления среды, тем значительнее отличия спектров среды K{V) И молекул В [50, 56] получено также соотнощение между интенсивностью В(у).

флуоресценции конденсированной среды и спектрами входящих в нее флуоресцирующих молекул. Применительно к интегральным интенсивностям флуоресценции среды / и молекул в ней- /Q эта связь определяется соотношением, где / = /о0. (1-8) где: 0 = «|«,^,52, (1.9) „ (я?+2)2. {nl+f, а индексы 1 и 2 относятся соответственно 9/ к частотам возбуждения и излучения флуоресценции. Важной и актуальной задачей является создание на основе изложенного общего подхода к спектральному оптическому исследованию гетерогенных систем конкретных методов экспрессного определения экологических характеристик природных вод и, в частности, морской воды.

г п,п Рис. 1.2. Дисперсия показателя преломления в пределах полосы поглощения K(V) К{Х) ;

ДХ), о.е 1,0 - 0,5 т ш 1 1»| 700 X, нм Рис. 1.3. Спектры 5,2 (v)и К{у) хлорофилла в растительной клетке:

1 - спектр ^(v);

2 - спектр B^^ (v).

1.4. Постановка цели и задач исследования.

Целью диссертационной работы является разработка спектральных оптических методов экспрессной оценки характеристик экологического состояния акваторий.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы следующие задачи:

1. Анализ существующих методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акватории.

2. Разработка экспрессных спектральных оптических методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции акваторий.

3. Исследование разработанных методов и полученных с их помощью характеристик полей распределения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях Черного и Каспийского морей.

ГЛАВА 2. ЭКСПРЕССНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА И НЕРВИЧНОЙ НРОДУКЦИИ В ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ В Главе 1 были изложены различные методы, которые позволяют оценить биомассу и первичную продукцию фитопланктона того или иного водоёма.

Однако все они требуют длительного времени анализа проб воды в лабораторных условиях. Это приводит к низкой производительности исследований, что делает актуальной разработку экспрессных методов, позволяющих получать информацию о требуемых характеристиках в реальном масштабе времени проведения измерений без отбора проб и пробоподготовки.

Наиболее перспективным в этих целях представляется использовать явление флуоресценции хлорофилла в фитопланктоне. Интенсивность флуоресценции хлорофилла в фитопланктоне, в принципе позволяет определить его концентрацию, на основании которой возможно рассчитать биомассу фитопланктона и первичную продукцию (глава 1). Основная трудность, не позволявшая до настоящего времени реализовать флуориметрический экспрессный метод определения первичной продукции водных экосистем заключалась в отсутствии работоспособных моделей описания взаимодействия света с клетками ФП в процессе флуоресценции содержащегося в них хлорофилла. Лишь в последнее [58] время были разработаны представления, дающие основание для решения этой проблемы. Используем эти представления в качестве основы для разработки новых методов экспрессного определения концентрации хлорофилла в фитопланктоне и величины первичной продукции.

2.1. Влияние освещенности на соотношение между интенснвностью флуоресценции хлорофилла в фитонланктоне и его концентрацией.

Если рассмотреть флуоресценцию хлоропласта, обусловленную передачей на него энергии возбуждающего излучения, поглощенной дополнительными пигментами, то сечение флуоресценции О определяется как ф Оф = о^К ц, где Q - сечение поглощения пигмента, К - вероятность передачи g энергии на хлоропласт пропорциональная произведению концентраций хлорофилла и дополнительных пигментов. Тогда выражение для интенсивности этой части флуоресцентного излучения хлоропласта согласно [60], имеет вид:

где: ц - квантовый выход флуоресценции хлоропласта.

В спектральной области X =532 нм поглощение света фитопланктоном, обусловлено в основном каротиноидами. Причем вероятность переноса энергии с дополнительных пигментов на хлорофилл «а» составляет -0,5, а типичное соотношение концентраций их молекул и хлорофилла «а» равно 0,4 [60]. К поэтому полученному в [60] значению К, нужно относиться как к оценке порядка величины. В сложных системах, к которым относится фитопланктон, интенсивность флуоресценции 1^ зависит от ряда, в том числе внешних факторов (в частности, от уровня освещенности). Эти факторы в значительной мере определяют закономерности пространственного распределения поля 7,^, фитопланктона в акваториях. Согласно [32], основным типом вертикального профиля ИФХ следует считать одномодульной, являющийся результатом совместного влияния с одной стороны убывающей с глубиной освещенности, а с другой - одновременно нарастающей концентрацией питательных солей.

Ввиду того, что биогенные элементы поступают на вышележащие горизонты через слой пикноклина, существует корреляционная связь между положением максимума ИФХ и верхней границей пикноклина.

В целом, современные представления об устройстве фотосинтетического аппарата, разнообразие пигментных систем и изменение спектральных характеристик водорослей под влиянием внешних условий (в том числе индуцированных солнечной радиацией), свидетельствует о том, что ИФХ фитопланктона может зависеть от многих факторов столь же сильно, как и от концентрации пигментов. Это в принципе, должно приводить к нарушению линейной связи между концентрацией хлорофилла и ИФХ в акватории.

Исследования корреляционных соотношений между ИФХ и содержанием хлорофиллов на различных горизонтах проводились [32] в районе шельфа Аравийского полуострова. Концентрация хлорофиллов определялась флуориметрическим и спектрофометрическим методами согласно. При этом ИФХ измерялась в период с 16.00 до 8.00 часов по местному времени для уменьшения влияния суточного ритма на концентрационную зависимость ИФХ. Средняя концентрация хлорофилла «а» в районе исследований не превышала 0,2 г м'"', так что результаты относились преимущественно к малопродуктивным районам океана. Было установлено, что коэффициент корреляции между суммарным содержанием хлорофилла и ИФХ достаточно высок во всем диапазоне исследованных глубин от О до 100 м и составлял 0, для Н=0-10 м;

0,79 для Н=20^50м;

0,7 для Н=60^100м. Измерения, относящиеся к водным с высокой продуктивностью, проводились в перуанском прибрежном районе [32] для разных уровней фотосинтетически активной радиации (ФАР) от поверхностных слоев (ФАР = 20-^100%) до глубинных (ФАР = 1%). При этом коэффициент корреляции между концентрацией хлорофилла «а» и ИФХ изменялся от 0,8 до 0,59. Для Черного моря коэффициент корреляции, рассчитанный по 71 измерению в интервале глубин 0-^100 м оказался равным 0,98, а для Каспия - 0,84 (по 96 измерениям в интервале глубин 0-^50 м). Из результатов этих исследований следует вывод, что между ИФХ и С^ верхней и средней частях фотической зоны существует сильная положительная корреляционная связь. В то же время в [32] отмечается.

Ч О отличия коэффициента корреляции от 1,0 невозможно отнести только на Т счет погрешностей измерений, сбора и обработки проб воды. Оно, по крайней мере отчасти обусловлено влиянием факторов среды и состава фитопланктона.

Действительно, уже в [3] было показано, что пропорциональность ИФХ и концентрации хлорофилла, определенной стандартными методами в ацетоновом экстракте соблюдается в каждой из исследованных таксонометрических групп водорослей, однако при переходе от одной группы к другой коэффициент пропорциональности меняется до пяти раз.

Четырехкратное изменение ИФХ по отношению к концентрации хлорофилла водорослей различного таксонометрического состава получено при исследовании Черного моря и других водоемов. Согласно результатам анализа различных факторов, влияюш;

их на точность определения концентраций хлорофилла Схл по измеренным погружаемым флуориметром ИФХ, основной вклад в погрешность вносят интенсивность флуоресценции РОВ и уровень подводной освещенности. Их вклад может привести к погрешности в сотни и даже тысячи процентов. Если способы учета первого из указанных факторов в принципе известны [50], а проблемы их реализации носят чисто технический характер, то влияние второго из них требует специального рассмотрения.

Исследования в этой области важны для развития методов флуориметрии фитопланктона «in situ», позволяющих оценить концентрацию его биомассы в морской воде. Действительно, влияние уровня солнечной радиации сказывается не только на изменении биомассы фитопланктона, но и на изменении концентрации хлорофилла в его клетках, квантовом выходе флуоресценции фитопланктона [62]. Это обстоятельство затрудняет интерпретацию сигналов ИФХ погружаемых и дистанционных флуориметров по сравнению с измерениями ИФХ проб на борту судна [63, 64]. Изменение квантового выхода флуоресценции фитопланктона с одной стороны увеличивает трудности при определении его биомассы, но, с другой стороны, дает возможности оценить его фотосинтетические и физиологические свойства [64]. Зависимость ИФХ от светового режима находит наиболее яркое проявление в уже упоминавшейся суточной изменчивости. Суточные изменения ИФХ морской воды изучаются давно [32]. Основная трудность изучения суточной зависимости ИФХ заключается в том, что суда обычно не имеют возможностей для проведения длительных исследований в дрейфе. Лишь в последнее время появились данные о результатах длительных исследований суточных вариаций ИФХ в океане.

Согласно [62], причины суточной изменчивости ИФХ можно разделить на три типа. Первый из них связан с изменением квантового выхода флуоресценции на единицу концентрации хлорофилла. Оно вызвано солнечной радиацией и особенно заметно, непосредственно под поверхностью воды, где уровень ее велик. Эти изменения происходят быстро, во временном масштабе, составляющем единицы минут и носят обратимый характер. Показано, что наблюдается тушение флуоресценции при уровне облученности выше S Ь, которое проявляется через 10 мин после начала облучения. Там \iEmm же было отмечено различие между двумя типами фитопланктона по чувствительности к фотоингибиции. Авторы этой работы объяснили наблюдаемые результаты наличием нефотохимического тушения, вызванного ксантофильным циклом, быстрым механизмом, включающим фотозащитные каратиноиды, защищающие фотосинтетическую часть клетки от интенсивного облучения. При интенсивной внешней засветке может значительную роль играть и другой, фотохимический механизм тушения флуоресценции.

Последний вызван его фотоадаптацией, суть, которой заключается в вырабатывании хлорофилла «а» в помещенных на свет клетках хлорофилла.

При этом удельная ИФХ, приведенная к единице концентрации хлорофилла, меняется в зависимости от количества хлорофилла, содержащегося в клетке фитопланктона. Период фотоадаптации более длителен, но происходит в суточном интервале времени. Установлено, что суточные вариации концентрации хлорофилла в расчете на одну клетку наблюдались как при высокой, так и относительно низкой облученности, причем их величина в обоих случаях была аналогична. В этой работе отношение концентраций углерода и хлорофилла в культурах не исследовалось, хотя это отношение, отражающее содержание хлорофилла в единице биомассы фитопланктона представляет особый интерес. Подобному роду исследованиям посвящено очень мало работ. Было показано, что в течение 24 часов естественная популяция фитопланктона меняет отношение концентраций углерода и хлорофилла «а» при переходе день-ночь, однако днем оно относительно постоянно. Обнаружено, что величина R^^^^ (отношение ИФХ «in vivo» к концентрации хлорофилла «а») для ряда диатомовых и динофлагеллят при переходе день-ночь изменялось до 8 раз и зависело от горизонта. Причем динамика изменения количества хлорофилла, приходящегося на одну клетку, и RQ^^ зеркально отображают друг друга. Ростом концентрации хлорофилла за счет его усиленного синтезирования в клетке при пониженной освещенности объясняется суточная зависимость ИФХ в ряде работ. Паконец, изменение концентрации хлорофилла в морской воде происходит коррелированно с изменением биомассы фитопланктона в связи с ростом его численности. Этот вывод следует из 13-дневных исследований, проведенных в экваториальной Атлантике. Важно, что в океане при рассмотрении динамики изменения популяции фитопланктона необходимо учитывать его потребление зоопланктоном, делающего эту часть вариации хлорофилла в морской воде связанной с величиной сеточного вылова. Относительный вклад перечисленных факторов в суточный ход ИФХ оценивался в [62] на основании исследований, проведенных в северо-восточной Атлантике на глубинах 10-^60 м при показателе ослабления света в диапазоне 0,05-^1,01 м на Л, = 660 нм. Там было показано, что при //=20 м вклад фотоингибиции мал, а иногда и вовсе практически отсз^ствует. Таким образом, согласно [62], фотоингибиция, или нефотохимическое тушение, доминирует на глубинах 10 м и 20 м, фотоадаптация — глубинах 20 м и 60 м, а изменение биомассы фитопланктона определяет суточные вариации ИФХ на глубине 60 м. Простейшая модель.

учитывающая все перечисленные изменения, согласно [62], представляет сумму:

где фактор, учитывающий фотоингибицию Q^p(E^) (нефотохимическое тушение);

А(Е^) - фактор, учитывающий фотоадаптацию;

\i{E^) - фактор роста численности популяции фитопланктона.

Причем величина линейная функция уровня световой Qjjp(E^) облученности Е^, если не учитывать процессы деструкции пигментов в клетке [62], а именно:

где а и b - константы.

О линейной зависимости величины Q от Е говорят результаты экспериментов, проведенных в [62]. Зависимость процессов фотоадаптации от Е^, согласно [62], носит более сложный характер. Выражение для описания зависимости А{Е^), предложенное в [62], учитывает, что в темноте процесс синтеза хлорофилла отсутствует и при низких освещенностях значительнее, чем при высоких:

где dy^, и п - постоянные. Такая зависимость A(Ey^,) была также получена экспериментально.

Наконец, зависимость от Е биомассы фитопланктона, обуславливающей увеличение ИФХ, наиболее изучена и имеет следующее математическое выражение:

где Unjax "" максимум [L;

а - постоянная, пропорциональная порогу фотосинтеза и g - коэффициент, учитывающий условия питания.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.