Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Исследование суточного хода

Исследование суточного хода компонент спектров лазерной индуцированной флуоресценции

морской воды

Салюк П.А. (pas81@list.ru), Букин О.А., Майор А.Ю., Ластовская И.А. Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Исследование суточного хода компонент спектров лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) важно с той точки зрения, что при переходе от относительных к абсолютным концентрационным величинам хлорофилла А возникает ряд факторов, влияющих на значение калибровочного коэффициента. Одним из главных таких факторов является световая адаптация фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона, когда фитопланктон, изменяя содержание и состав фотосинтетических пигментов, морфологию и устройство хлоропластов может приспосабливаться к колебаниям солнечной радиации [1]. Для исследования влияния эффекта световой адаптации на измерение концентрации хлорофилла А методом лазерной индуцированной флуоресценции был проанализирован суточный ход таких компонент спектров ЛИФ, как интенсивность флуоресценции хлорофилла А и интенсивность флуоресценции растворенного органического вещества (РОВ). В работе анализировались участки ЛИФ данных, которые были получены при непрерывных измерениях выполненных за время более 48 часов. Спектры ЛИФ измерялись с помощью судового лазерного проточного флуориметра [2,3]. Забор проб осуществлялся по ходу судна с глубины 4 м, по специальному пластиковому затемненному трубопроводу морская вода прокачивалась через кювету, где происходило возбуждение флуоресценции лазерным излучением с длиной волны 532 нм (время от места забора морской воды до кюветы составляло около 1 минуты).

Биотическими факторами суточного ритма флуоресценции хлорофилла А являются, во-первых, световая адаптация фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона, во вторых, суточный ход содержания хлорофилла в клетках водорослей и, в третьих, выедание водорослей зоопланктоном [4]. Абиотические факторы -длиннопериодные внутренние волны, меандрирование течений [5], суточное опускание термоклина с понижением температуры и др., т.е. чисто гидрофизические факторы.

Необходимо отметить, что световая адаптация фитопланктона может влиять не только на калибровки интенсивности хлорофилла А , но и на определение удельного воспроизводства РОВ клетками фитопланктона [6]. Это вызвано тем, что световая адаптация сопровождается изменениями способности фитопланктона поглощать



лучистую энергию и затрагивает механизм внутри-клеточного переноса поглощенной энергии, следовательно, стоит ожидать, что и флуоресценция пигментов в море при стационарном возбуждении от искусственного источника будет ритмично меняться вслед за солнечной радиацией [5].

По данным работы [7] в тех случая, когда облученность поверхности моря составляет не менее 25% от солнечной постоянной, происходит подавление флуоресценции солнечным светом. Kiefer показал, что уменьшение интенсивности флуоресценции под действием яркого солнечного излучения сопровождается сперва изменением формы хлоропластов от неправильной к почти сферической, а затем их слипанием в более крупные комки. Оба процесса ведут к увеличению эффективной толщины хлоропластов или к самозатемнению пигментов, из-за чего при неизменном содержании их в клетке уменьшается способность пигментной системы поглощать свет и, следовательно, флуоресцировать. Изменение формы хлоропластов завершается спустя 1 -2 мин, а их укрупнение занимает 30 - 60 мин после начала облучения культуры диатомовых. Оба процесса обратимы и одинаково влияют на суточный ход флуоресценции и фотосинтеза. Эти выводы были подтверждены в работе [8], где установлено, что изменения удельной флуоресценции хлорофилла А под действием света присущи многим видам фитопланктона.

В работе [9] исследованы характеристики суточного ритма флуоресценции хлорофилла А , было установлено, что форма суточного хода интенсивности хлорофилла А близка к гармонической. В указанной работе измерения были проведены с периодичностью 1.5 - 2 часа. Такой подход хорошо применим в акваториях тропической зоны океана, где течения постоянны и во время наблюдений судно остается в пределах акватории с неизменной стратификацией вод. В районах с нестационарными течениями на биотические факторы суточного ритма флуоресценции хлорофилла А накладываются колебания иной природы, связанные, в основном с перемешиванием по-разному стратифицированных вод [5]. В этих случаях необходимо применять методы непрерывного мониторинга флуоресценции фитопланктона, которые позволяют проводить круглосуточные измерения (по этой причине спутниковые методы для исследования суточных ритмов биооптических параметров не подходят) - таким методом, несомненно, является метод ЛИФ. Однако, стоит отметить, что в данной работе задача стояла не исследовать суточный ход интенсивности флуоресценции хлорофилла А с помощью метода ЛИФ, а наоборот, оценить вклад суточного хода в уже измеренные значения флуоресценции хлорофилла А .




Рис. 1. Участки маршрута, где ЛИФ измерения проводились непрерывно более 48

Чтобы определить на сколько сильно влияет эффект световой адаптации на используемые ЛИФ данные, нами анализировались ритмы временного хода интенсивности флуоресценции хлорофилла А , РОВ и температуры. Параллельно исследовался ход интенсивности падающего солнечного света, рассчитанного теоретически по известным координатам и времени измерения. Анализ хода температуры и падающего солнечного света был сделан с той целью, чтобы определить временной масштаб, соответствующий суточному ходу, в связи с тем, что суточный период не обязательно соответствовал 24 часам. Это вызвано тем, что судно, с которого проводились измерения, постоянно находилось в движении, и световые сутки могли удлиняться или укорачиваться в зависимости от направления движения и смены типов вод.

В полученных нами ЛИФ данных есть 19 участков, где измерения проводились за время более 48 часов (рис.1.). В таких непрерывных рядах измерений с помощью сглаживания сплайнами (в пакете Matlab) фильтровались колебания с низкими (период колебаний более 35 часов) и высокими частотами (период колебаний менее 10 часов). Соответствующие сглаживающие коэффициенты подбирались из анализа сгенерированного ряда, который состоял из синусов с заданными периодами колебаний. Фильтрованные временные ряды интерполировались на равномерную сетку, после чего применялось быстрое преобразование Фурье [70], реализованное в среде Matlab. На рис.2 представлены спектры мощности на различных периодах колебаний [10] для фильтрованных рядов из района Атлантического океана вдоль островов Ирландия и Великобритания (район выделен красным цветом на рис.1.). На всех четырех спектрах четко виден суточный масштаб.

135° W 90° W 45° W 0° 45° Е 90° Е 135° Е 180°Е




10 20 30

Рис. 2. Спектр Фурье для: 1 - интенсивности флуоресценции хлорофилла А ; 2 -интенсивности флуоресценции растворенного органического вещества; 3 - температуры; 4 - интенсивности падающего солнечного света (рассчитанной теоретически). Спектры рассчитаны для участка выделенного красным на рис.1.

Наличие суточного масштаба для различных районов океана показано в таблице 1. В таблице представлены только районы, в которых присутствовал суточный ход температуры. В трех районах такого хода не наблюдалось - это может быть объяснено либо гидрологической сложностью районов, либо движением судна, когда совершался переход из вод с одним температурным режимом в другой. По этим причинам рассмотрение масштабов флуоресценции хлорофилла А и РОВ в таких районах некорректно и было опущено.

В 10 из 16 районов наблюдается суточный ход интенсивности флуоресценции хлорофилла А . При этом в большинстве из этих случаев (9 из 10) одновременно присутствовал циклический ход флуоресценции РОВ, что может быть объяснено либо периодическими изменениями свойств морской воды, либо тем фактом, что в наблюдаемом слое изменялась концентрация фитопланктона и, следовательно, производилось разное количество РОВ. Единственным районом, в котором наблюдался суточный масштаб только хлорофилла А - это Малаккский пролив. Основываясь на имеющихся данных трудно оценить вклад именно эффекта световой адаптации в суточный ход интенсивности флуоресценции хлорофилла А . Отметим только, что амплитуда суточного ритма не превышала 15% от среднесуточных значений интенсивности, а в Малаккском проливе амплитуда составила 10%. Это значение было принято нами как верхняя оценка ошибки, которая возникает если не учитывать эффект световой адаптации фитопланктона при определении концентрации хлорофилла А с



район

Ф

Восточно-Китайское море

Южно-Китайское море

Малаккский пролив, Индийский океан

Красное море

Средиземное море

побережье Португалии, апрель 2003

побережье Великобритании

побережье Португалии, октябрь 2004

побережье Бразилии (север)

побережье Бразилии (юг)

пролив Дрейка

побережье Чили

Филиппинское море, февраль 2004

Филиппинское море, март 2004

побережье о. Тайвань

Японское море

помощью проточного лазерного флуориметра. В работе [9] амплитуда суточного ритма достигала 60-70% от среднесуточных значений. Различия по всей видимости вызваны использованием разных источников возбуждения и тем фактом, что в работе [9] стояла непосредственная задача исследовать суточный ход флуоресценции хлорофилла А для чего измерения проводились сразу (без предварительной световой адаптации водорослей), а в наших измерениях стояла задача измерять концентрацию хлорофилла А для чего влияние эффекта световой адаптации уменьшалось путем выдерживания морской воды в течении минуты в одинаковых световых условиях во время прокачки воды по затемненному трубопроводу.

Таблица 1.

Наличие суточного масштаба в пространственно-временном ряде интенсивности флуоресценции хлорофилла А (Ф), интенсивности флуоресценции растворенного органического вещества (Q) и температуры (7).



Литература

1. Parsons Т., Takahashi M. Biological oceanographic processes.- L.: Pergamon Press, 1973.- 186p.

2. Bukin O.A., Pavlov A.N., Permyakov M.S. et al. Continuous measurements of chlorophyll A concentration in the Pacific Ocean by shipborne laser fluorometer and radiometer: comparison with SeaWiFS data International Journal of Remote Sensing. - 2001. v. 22. № 2&3. - P. 415-427.

3. Майор А.Ю., Букин О. А., Павлов А.Н., Киселев В. Д. Судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды Приборы и техника экспиремента. -2001. № 4. - С. 151-154.

4. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н. Закономерности пространственно-временной изменчивости интенсивности флуоресценции пигментов в клетках живого фитопланктона Труды ИОАН. -1975. т. 102. - С. 89-93.

5. Карабашев Г.С. Флуоресценция в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 200 с.

6. Букин О.А., Пермяков М.С., Салюк П. А., Майор А.Ю., Буров Д.В., Хованец В. А., Голик С.С., Подопригора Е.Л. Особенности формирования спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды в период цветения водорослей в различных районах Мирового океана Оптика атмосферы и океана. - 2004. - т. 17, № 9. - С. 742-749.

7. Kiefer D.A. Chlorophyll a fluorescence in marine centric diatoms: response of chloroplasts to light and nutrient stress Mar. Biol. - 1973. v. 23. - P. 39-46.

8. Loftus M.E., Seliger H.H. Some limitations of the in vivo fluorescence technique Chesapeake Science. - 1975. - v. 16, № 2. - P. 79-92.

9. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н. Суточный ритм флуоресценции хлорофилла фитопланктона в деятельном слое океана Океанология. - 1976. т. 16, №2, С. 316-323.

10. Гандин Л.С., Каган Р.Л. Статистические методы интерпретации метеорологических данных. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 360 с.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.