Сайт Информационных Технологий

МЕХАНИЗМ ВЛИЯНИЯ ФОТОАДАПТАЦИИ НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КЛЕТОК ФИТОПЛАНКТОНА

В.М.Сидоренко

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им.В.И.Ульянова (Ленина)

Abstract – The original optical model of alive phytoplankton cell is proposed. This model takes into account variations of the particle discreteness effect in chlorophyll fluorescent and absorption spectra, fluorescent quanta yields of chlorophyll molecules in a chloroplaste, as well as optical density of cellular photoprotective pigments during the photoadaptation. On the basis of this model experimental results of investigation the influence of photoadaptation of different phytoplankton types on its absorption and fluorescent spectra were worked up and dependencies of parameters of photoadaptation from light flux levels were received.

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.

Литература

1.Collins D.J., Kiefer D.A., Soo-Hoo J.B., Mc.Dermid J.S. The role of reabsorption of the spectral distribution of phytoplankton fluorescence emission // Deep-sea research, 1985, v.32, N8, p.983-1003.

2. Mitchel B.G., Kiefer D.A. Chlorophyll a specific absorption and fluorescence excitation spectra for light-limited phytoplankton // Deep-sea research, 1988, v.35, p.p.639-663.

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.

 


Site of Information Technologies
Designed by  inftech@webservis.ru.