В.М.Сидоренко

Выяснение механизма влияния уровня освещенности на спектральные характеристики живых клеток фитопланктона весьма важно для интерпретации суточных и сезонных изменений их интенсивности флуоресценции (ИФ) и оптической плотности . Это необходимо для разработки методов количественного определения биомассы фитопланктона, концентрации хлорофилла и первичной продукции на основании экспрессного мониторинга акваторий с использованием погружаемой спектральной аппаратуры и флуориметрических лидаров. Отсутствие в настоящее время таких методов приводит, в частности, к ошибкам при флуориметрическом определении указанных параметров, превышающим в десятки раз их истинные величины. Ранее [1,2] предпринимались попытки описать экспериментальные зависимости и только изменением концентрации хлорофилла в клетках фитопланктона. Однако, в [2] экспериментально отмечена относительно малая изменчивость по сравнению с , тогда как теория [1] предсказывает обратное соотношение между этими зависимостями. В связи с этим в [2] высказывались предположения о возможном влиянии на спектры дополнительных факторов. Поэтому в настоящей работе предложены новые модельные представления о спектральных проявлениях фотоадаптации клетки фитопланктона. В отличие от [1] в них учтено изменение концентрации клеточных фотозащитных пигментов и использован новый метода учета реабсорбции излучения хлоропластом, изложенный в [3,4]. При этом клетка фитопланктона представлена в виде сферы, внутри которой находится хлоропласт, а внешний слой образуют фотозащитные пигменты. Такая модель позволяет рассмотреть основные факторы спектральных проявлений фотоадаптации - изменения внутриклеточной концентрации молекул хлорофилла и их квантового выхода флуоресценции, а также изменение оптической плотности фотозащитных пигментов. Причем последние ослабляют падающее на хлоропласт излучение в раз, где - оптическая плотность слоя фотозащитных пигментов, а ослабление света клеткой в спектре поглощения определяется величиной . С учетом этого оптическое пропускание взвеси клеток фитопланктона в прозрачном растворителе при концентрациях, когда их самозатенением можно пренебречь [2,3], определяется формулой:

, (1)

где: - фактор эффективности поглощения света частицей [1], - число частиц взвеси; - площадь сечения клетки; - площадь сечения кюветы, перпендикулярного падающему излучению. Причем величина для однородной сферической частицы определяется параметром , где - диаметр частицы, а - ее показатель поглощения [1,2]; При в (1) пропусканию соответствует оптическая плотность взвеси :

. (2)

Аппроксимируем хлоропласт сферой радиуса . Тогда из выражения (2) для показателя поглощения кюветы со взвесью, нормированного на концентрацию хлорофилла в кювете ( где - объем хлоропласта, - объем кюветы, - концентрация хлорофилла в клетке), получим:

(3)

Из формулы (3) имеем выражение, определяющее изменение оптической плотности фотозащитных пигментов на длине волны  и , при изменении от уровня 1 до "i":

.(4)

Запишем выражение для интенсивности флуоресценции хлорофилла в клетках с учетом оптической плотноcти фотозащитных пигментов на длине волны возбуждения , имея ввиду, что для оптической плотности на длине волны флуоресценции выполняется условие :

, (5)

где - фактор эффективности флуоресценции частицы [3,4]. Для однородной сферической частицы он зависит от параметров и , где и - показатели поглощения частицы на частотах возбуждения и флуоресценции соответственно.

Из (5) следует выражение для нормированной на величину интенсивности флуоресценции сферических клеток радиуса R:

. (6)

Для определения соотношения между величинами и при переходе от состояния "i" к состоянию "1" с разными освещенностями  (6) имеем:

  (7)

На основании формул (4) и (7) cоотношение между интенсивностями спектров флуоресценции и поглощения примет вид:

. (8)

Рассмотрим на основании формул (4), (8) зависимость величин , и от внешней освещенности Е, к которой адаптирован фитопланктон. Для этого используем экспериментальные данные , , полученные в [2] для различных видов морского фитопланктона, клетки которого адаптировались к стационарным освещенностям, лежащим в диапазоне их суточных изменений. При этом считаем, что состоянию “1’ соответствует минимальная из исследованных освещенностей 23 . На основании экспериментальных данных [2] и концентрационных зависимостей хлорофилла в клетках фитопланктона в процессе фотоадаптации [1,2] можно рассчитать параметры , и методом [3,4] определить фактор и удельный фактор . Последний определяет соотношение между интенсивностями флуоресценции частицы взвеси и разбавленного раствора , содержащих одинаковое количество флуоресцирующих молекул при неизменном квантовом выходе флуоресценции молекул:

. (9)

Его знание необходимо для флуориметрического определения количества хлорофилла, содержащегося в хлоропластах клеток фитопланктона [3,4]. На Рис.1. приведены определенные величины и соответствующая им зависимость .

Рис.1. Зависимость удельного фактора от .

- - зависимость ; - значения ;

Наблюдающийся на рис.1 рост с увеличением можно объяснить уменьшением концентрации хлорофилла в клетке фитопланктона в процессе ее фотоадаптации. Согласно [3,4], при этом уменьшается реабсорбция излучения частицей и, следовательно, увеличивается эффективность наблюдаемой флуоресценции содержащегося в ней хлорофилла. При этом интенсивность флуоресценции взвеси приближается к интенсивности флуоресценции разбавленного раствора. Величины были получены на основании (4) с использованием метода расчета величины , приведенного в [1]. При этом использовались те же значения , что и при расчете величин для флуоресценции. Полученная зависимость приведена на рис.2.

Согласно рис.2, наблюдается линейный рост оптической плотности фотозащитных пигментов при увеличении в исследованном диапазоне освещенностей.

Рис.2 Зависимости и от .

1 – зависимость ; 2 - зависимость .

х – значения ; - значения.

Сам факт увеличения в процессе фотоадаптации клетки хорошо известен. В то же время линейный характер этой зависимости и масштаб изменения в диапазоне суточных вариаций освещенностей получен, по-видимому, впервые. Если учесть, что значение , то из рис.2 минимальный коэффициент пропускания слоя фотозащитных пигментов примерно равен 0,6. Следовательно, вызванный им эффект ослабления флуоресценции по порядку величины сравним с увеличением эффективности флуоресценции клетки в том же диапазоне (см. Рис.1).

Зависимость , определенная с использованием полученных зависимостей , , ,на основании формулы (8) (см. рис.2), имеет максимум в области средних значений освещенности. Такая зависимость может быть объяснена двумя процессами. Один из них c ростом приводит к уменьшению за счет увеличения содержания хлорофилла “а” в нефлуоресцирующей (PS1) подсистеме хлоропласта по сравнению с флуоресцирующей подсистемой (PS1). С этим процессом конкурирует процесс увеличения с ростом за счет уменьшения квантового выхода фотосинтеза ввиду соотношения:

. (10)

Таким образом, проведенные исследования показывают, что в процессе фотоадаптации клетки фитопланктона на ее спектральные характеристики влияют все рассмотренные параметры: реабсорбция света хлоропластом, изменение квантового выхода молекул хлорофилла и изменение оптической плотности фотозащитых пигментов. Причем относительно малая зависимость по сравнению с от , отмеченная в [2], объясняется тем, что интенсивность флуоресценции клетки зависит от оптической плотности , а показатель ее поглощения - от .

Следует особо отметить, что , и имеют различные постоянные времени изменения. при варьировании . Возможность раздельной оценки влияния этих параметров на интенсивность спектров позволяет учитывать эти различия в зависимости от динамики изменений (сезонные, суточные и более короткопериодные изменения).

Полученные на основе предложенной оптической модели клетки фитопланктона результаты открывают возможности для количественной оценки (с погрешностью 40…50%) концентрации хлорофилла в природных водах на основании флуориметрических измерений с помощью погружаемой и дистанционной аппаратуры в условиях различной освещенности. В частности, они могут быть использованы при проведении исследований на различных глубинах и в разное время суток.

3.Cидоренко В.М., Пакконен С.А. Изменение интенсивности флуоресценции воды при переходе органического вещества из взвеси в раствор //Изв.РАН, сер.Физика атмосферы и океана,1995, т.31, N5, c.731-734.

4.Сидоренко В.М. Влияние дискретности частиц на интенсивность обратного сигнала флуоресценции фитопланктона в воде //Изв. РАН, сер. физ. атм. и океана, 1998, т.34, N1, c.59-62.