Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Флоуресцентные характеристики некоторых видов водорослей и возможности их применения для изучения первичной продукции фитопланктона пресных вод

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Калчев, Румен Кирилович

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Первичная продукция и фотосинтез

1.2. Методы расчета первичной продукции.

1.2.1. Принципиальные возможности измерения первичной продукции и их практическая^реализация

1.2.2. Кислородный и радиоуглеродный методы измерения первичной продукции.

1.3. Практическое применение кислородного и радиоуглеродного методов на водоемах.

1.3.1. Измерения первичной продукции на водоеме без применения склянок.

1.3.2. Измерение первичной продукции с использованием темных и светлых склянок

1.3.2.1. Принцип метода и его варианты

1.3.2.2. Совершенствование методики склянок

1.3.2.3. Преимущества и ограничения метода склянок в разных его модификациях.

1.3.2.3.1. Общие ограничения метода склянок

1.3.2.3.2. Ограничения кислородного метода с применением склянок.

1.3.2.3.3. Ограничения применения радиоуглеродного метода по методике склянок

1.3.2.3.4. Ограничения применения техники инкубаторов

1.3.2.3.5. Пересчет первичной продукции

1.3.2.3.6. Прогнозирование величины первичной продукции

1.4. Характеристика первичной продукции при помощи спектральных методов

1.4Л. Измерение отраженного света водоема

1.4.2. Флуоресцентный подход к получению характеристик фитопланктона и его продукции

1.4.2Л. Зависимость между флуоресценцией фитопланктона in. trim и Хл.а.

1.4.2.2. Флуоресценция хлорофилла водорослей in, и первичная продукция фитопланктона

1.4.2.2.1. Методика применения BDMU

1.4.2.2.2. Применение D0MU в условиях культуры.

1.4.2.2.3. Связь между флуоресценцией хлорофилла а in. itlit-o с применением D11MU и первичной продукцией фитопланктона

1.4.2.2.4. Замедленная флуоресценция и флуоресценция фитопланктона без ингибитора; их связь с первичной продукцией.

1.4.2.2.5. Флуоресценция хлорофилла in tr£i*o% видовые различия и физиологическое состояние водорослей

1.4.2.2.6. Ограничения метода применения флуоресценции хлорофилла it для характеристики способности фитопланктона к фотосинтезу

1.5. Физические и фотосинтетические фундаменты методов, основанных на изучении флуоресценции

1.5Л. Природа флуоресценции.

1.5.2. Спектр и иадукционная кривая флуоресценции

1.5.2Л. Спектр флуоресценции.

1.5.2.2. Индукционная кривая флуоресценции, ее связь с процессами фотосинтеза

1.5.2.3. Действие &CMU на индукционную кривую флуоресценции

1.5.3. Способы регистрации флуоресценции хлорофилла in i>iif-o в экологических исследованиях

1.6. Перечень задач, требующих решения.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Объекты исследований и условия культивирования водорослей.

2.1.1. Объекты исследования.

2.1.2. Условия выращивания водорослей

2.1.3. Модифицированные условия выращивания водоросли ft. t^a-^lcz. SzizS.

2.2. Методика измерения ростовых параметров культуры водорослей.

2.2.1. Определение оптической плотности суспензии

2.2.2. Определение содержания сухой биомассы

2.2.3. Определение содержания фотосинтетических пигментов.

2.2.3.1. Определение содержания хлорофиллов а, в, с

2.2.3.2. Определение содержания феофетина а и фео-форбида а.

2.3. Газохроматографическое определение содержания кислорода и интенсивности фотосинтеза культур планктонных водорослей.

2.3.1. Определение содержания кислорода в водной среде.

2.3.2. Измерение фотосинтеза культуры водорослей

2.3.2.1. Измерение фотосинтеза с экспонированием пробы в склянках без газовой фазы

2.3.2.2. Измерение фотосинтеза с экспонированием пробы в склянках с газовой фазой

2.3.3. Калибровка газового хроматографа кислородом

2.4. Регистрация параметров флуоресценции водорослевой суспензии.

2.4.1. Описание флуоресцентной установки

2.4.2. Запись спектра флуоресценции в аналоговом и цифровом виде

2.4.3. Параметры, характеризующие спектр флуоресценции и их получение

2.4.4. Регистрация индукции /кинетики/ флуоресценции

2.5. Методы обработки результатов.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГА30ХР0МАТ0ГРАФИЧЕСК0

ГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА.

4. СПЕКТРЫ СТАЦИОНАРНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ВОДОРОСЛЕВОЙ СУСПЕНЗИИ IJV VIVO И КРИВЫЕ РОСТА ВОДОРОСЛЕЙ.

4.1. Рост водоросли Д* iи изменения в спектре флуоресценции

4.2. Изменения в физиологическом состоянии водоросли f}. v-&rCa.4>t£is и характеристика соотношения 1648^

4.3. Кривые роста водоросли thtjugacbs и изменения в спектре флуоресценции.

4.4. Рост водоросли Д. £rico>~ni<£i<yyi и изменения в спектре флуоресценции

4.5. Различия между водорослями по спектрам флуоресценции in. в красной области

5. ИНДУКЦИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ВОДОРОСЛЕВОЙ СУСПЕНЗИИ W VIVO БЕЗ И С ДОБАВЛЕНИЕМ CMU.

5.1. Индукция флуоресценции как ивдикатор таксономических и физиологических различий водорослей

5.2. Подбор концентрации ингибитора CMU и способы измерения интенсивности индукционного сигнала.

6. СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА W VIVO , ПОЛУЧАЕМЫЕ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ CMU С ИНТЕНСИВНОСТЬЮ ФОТОСИНТЕЗА И СОДЕРЖАНИЕМ ХЛОРОФИЛЛА В ВОДОРОСЛЕВОЙ СУСПЕНЗИИ

6.1. Связь между отношением &CMU '-CMU и

П/Хл.а.

6.2. Связь ме?вду (F+цми ~ и ПДл.а.7.

6.3. Связь между F+рщу и Хл.а.

7. СВЯЗЬ ПЛОЩАДИ СПЕКТРА ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА W V1V0 С ИНТЕНСИВНОСТЬЮ ФОТОСИНТЕЗА И Хл.а ВОДОРОСЛЕВОЙ СУСПЕНЗИИ

7.1. Связь между ПС и П/хл.а.

7.2. Связь между ПС и Хл.а.

8. ОТНОШЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ДВУХ ГЛАВНЫХ ПОЛОС СПЕКТРА-ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА Ш VIVO И ЕГО СВЯЗЬ С ФОТОСИНТЕЗОМ ВОДОРОСЛЕВОЙ СУСПЕНЗИИ

8.1. Отношение интенсивности флуоресценции фи-кобилинов к максшлуму спектра флуоресценции хлорофилла in v-t&o /1б48^682^ и интенсивность фотосинтеза Д иапивСiz's

8.2. Отношение b^/Igg^ и интенсивность фотосинтеза водоросли 5.

8.3. Отношение Ir^/Igg? и интенсивность фотосинтеза водоросли PL -(гргсбгпи'ки.'нг,

9. ОБЩЕЕ ОБСУНЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Флоуресцентные характеристики некоторых видов водорослей и возможности их применения для изучения первичной продукции фитопланктона пресных вод"

Актуальность темы. С развитием промышленности и сельского хозяйства все более интенсивно используются все природные ресурсы, в том числе и водные. При этом континентальные /пресноводные/ водоемы подвергаются воздействиям деятельности человека в большей степени, чем морские, океанические. В связи с этим крайне большое значение приобретает подробное изучение пресноводных экосистем с целью их рационального использования.

Превращения энергии и круговорота веществ в экосистеме определяются первичной продукцией и ее потреблением на разных уровнях. Поэтому в исследованиях экосистем количественная оценка первичной продукции имеет очень большое значение. В наши дни пресноводные бассейны используются как никогда ранее интенсивно, в связи с чем быстрый и точный учет их первичной продукции приобретает особое значение.

Однако используемые на практике методические приемы получения количественных характеристик первичной продукции весьма трудоемки и отличаются рядом ограничений. Это касается кислородного и радиоуглеродного методов измерения интенсивности первичного продуцирования органического вещества. Поэтов совершенствование существующих методик, а также обоснование и развитие новых подходов к измерению этой величины - весьма актуальны и важны. Поскольку фотосинтетическое образование органического вещества определяется функционированием пигментного аппарата водорослей, в последнее время внимание исследователей привлекли флуоресцентные методы, основанные на измерении свечения нативного хлорофилла под влиянием светового возбуждения. Как известно, водоросли различного систематического положения отличаются своими пигментными системами и особенностями фотосинтетических процессов. Для успешного применения флуоресцентных методов в практике гидробиологических исследований требуется всестороннее изучение фотосинтетических процессов у водорослей. Без знания механизмов последних и влияния на характер их протекания экологических факторов, практически невозможно использовать флуоресцентные методы контроля первичного продуцирования органического вещества в водных средах. Этим и определяется актуальность проведения исследований по данной теме.

Разработанность темы. Методы измерения первичной продукции имеют за собой многолетнюю историю. Начало было положено применением определения кислорода в воде по Винклеру. В последующем были разработаны и довольно широко применялись хлорофильный и радиоуглеродный методы. Несмотря на многократные попытки совершенствовать методики определения первичной продукции до последнего времени по общецу мнению наиболее точным способом измерения этой величины остаются измерения гп. проведение которых отличается крайней трудоемкостью. До сих пор практически отсутствуют данные непрерывной регистрации первичной продукции на водоемах.

На протяжении последних лет определенную роль в экологических исследованиях начинают играть спектральные методы. В частности по флуоресценции водорослей предпринимались попытки измерять содержание хлорофилла в водных бассейнах [84, 117]. Впоследствии было показано, что использование флуоресценции для этой цели имеет значительные ограничения [76, 77 , 83J . Применением ингибитора фотосинтетического электронного транспорта /диурон/ удалось преодолеть некоторые из недостатков метода [l09j. Параметры флуоресценции, полученные в условиях культуры с применением диурона характеризовались вполне удовлетворительной корреляцией с интенсивностью фотосинтеза [80, 99, 101, 102]. При проведении исследований на водоемах,такой корреляции между флуоресценцией и первичной продукцией не всегда удавалось обнаружить [94, 100]. Очевидно, использованию флуоресцентных методов в гидробиологических исследованиях препятствует наличие вне живой клетки способных флуоресцировать органических веществ. Для того, чтобы применять флуоресценцию хлорофилла in. v-ivo для характеристики деятельности первичных продуцентов в водной среде, несомненно необходимы углубленные исследования.

Цель и задачи работы. Основная цель работы заключалась в том, чтобы выяснить, какие из параметров флуоресценции водорослей Ш v-liyo можно применять для характеристики таксономической принадлежности первичных продуцентов - фитопланктонных водорослей, а также для количественных оценок интенсивности фотосинтеза и содержания хлорофилла. Для этого нам представлялось необходимым решить следующие задачи:

- Разработать методические приемы измерения интенсивности фотосинтеза и регистрации параметров флуоресценции без и с применением ингибитора фотосинтетического электронного транспорта /моноурон/ на культурах водорослей;

- Исследовать наличие линейной корреляции между разными параметрами флуоресценции хлорофилла in. интенсивностью фотосинтеза и содержанием хлорофилла;

- Изучить зависимость между флуоресценцией хлорофилла гп \yl\yo и интенсивностью фотосинтеза на разных стадиях развития культуры водорослей при воздействиях разных концентраций основных питательных веществ.

Научная новизна. Впервые возможность применения флуоресценции для качественной и количественной характеристики водорослей обоснована сравнением информативности большого количества флуоресцентных параметров, что позволило установить еледующее:

1. Таксономическую принадлежность водорослей можно характеризовать по форме индукционной кривой медленной фазы индукции флуоресценции, а также по форме спектра флуоресценции и его второй производной в зависимости от физиологического состояния и фазы роста исследуемых водорослей.

2. Между рядом параметров флуоресценции хлорофилла in. v-iitc в том числе между соотношением интенсивностей в спектре флуоресценции синезеленой водоросли при 648 и 682 нм и интенсивностью фотосинтеза водорослевой суспензии имеет место линейная корреляция.

3. Линейная корреляция меящу интенсивностью фотосинтеза и параметрами флуоресценции хлорофилла tn V-Lif-o 9 полученными при добавлении ингибитора фотосинтетического электронного транспорта, является более устойчивой, чем корреляция между интенсивностью фотосинтеза и параметрами флуоресценции, полученными без црименения моноурона.

4. Параметры флуоресценции хлорофилла in. Ptito, полученные с применением ингибиторов /моноурон, диурон/ и коррелирующие с интенсивностью фотосинтеза, характеризуют прежде всего фотосинтетический потенциал водорослей, а не интенсивность реально происходящего фотосинтеза. Наоборот, изменения в интенсивности индукции флуоресценции с применением ингибитора /моноурон/ отражают изменения абсолютных значений содержания хлорофилла а в водорослевой суспензии.

5. В условиях миксотрофного питания водоросли Д» iHcrCa.k&s площадь спектра флуоресценции хлорофилла водорослевой суспензии более плотно коррелирует с интенсивностью фотосинтеза, чем все остальные параметры флуоресценции. Показателем наличия миксотрофного питания является нарушение линейной корреляции между интенсивностью фотосинтеза и соотношением интенсивностей в спектре флуоресценции при 648 и 682 нм для синезеленой водоросли /й ,

6. Кратковременные воздействия стрессового характера питательными веществами не вызывают достоверных изменений в линейных регрессионных уравнениях для всех исследованных зависимостей мелщу параметрами флуоресценции и интенсивностью фотосинтеза и содержанием хлорофилла а при уровне достоверности Р=0,95.

7. Предложен метод определения содержания кислорода в водной среде на газовом хроматографе. Относительная ошибка метода 2,6%. Разработаны также две методики определения интенсивности фотосинтеза культур микроводорослей с помощью газового хроматографа.

Научно-практическая ценность работы. Проведенные исследования выявляют разнообразие связей флуоресценции с фотосинтезом водорослей, находящихся в разных физиологических состояниях. Работа доказывает перспективность применения флуоресцентных характеристик нативного хлорофилла водорослей для разработки современных более быстрых и вероятно, более точных критериев оценки фотосинтетических процессов гидробионтов, пригодных в методах дистанционной диагностики фитопланктона.

Приведенные в работе экспериментальные данные показывают, что некоторые ограничения, обнаруженные при применении флуоресценции хлорофилла in if-li^o для характеристики величины первичной продукции в полевых условиях [93, 94, 10(3 по-видимому можно уменьшить или вообще исключить путем одновременной регистрации нескольких параметров флуоресценции. В случае, когда линейная корреляция между каким-либо флуоресцентным параметром и первичной продукцией нарушается, то связь между иным флуоресцентным параметром и продукцией может оказаться стабильной. То же характерно для применения формы кривой индукции, спектра флуоресценции хлорофилла t/2. v-lu-o и его второй производной для характеристики таксономической принадлежности и возраста доминантных водорослей в фитопланктонной популяции.

Используя полученные нами результаты можно сформулировать рекомендации для проведения опытов с использованием флуоресцентных измерений в полевых условиях с целью установить величину первичной продукции или содержания хлорофилла а. Линейную зависимость мевду флуоресцентными параметрами и первичной продукцией или содержанием хлорофилла а следует искать в относительно коротких интервалах времени, когда ограничено воздействие на фитопланктон питательных стрессов, загрязнения воды органическим веществом, резких изменений в освещенности. Это особенно важно при применении флуоресцентных измерений на пресноводных водоемах. Действие перечисленных факторов может сопровождаться уменьшением плотности линейной связи между флуоресцентными величинами и ростовыми параметрами фитопланктона, что проявится изменением коэффициентов регрессионных уравнений. Можно предполагать, что в евтрофных водоемах в случае преобладания процессов распада органического вещества /после цветения/ характер связи между флуоресцентными параметрами и первичной продукцией может существенно измениться. Поскольку параметры флуоресценции хлорофилла t'/г v-iv-o t полученные при применении ингибитора фотосинтетического электронного транспората, отражают фотосинтетический потенциал водорослей, для получения величины реально происходящего фотосинтеза рекомендуется калибровать показания флуоресценции при разных наблюдаемых интенсивностях освещения.

Практическое значение имеет и разработанный нами газохромат ографический метод определения кислорода в водной среде для измерений его содержания и интенсивности фотосинтеза на культурах водорослей и в пресноводных евтрофных водоемах.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на научной конференции болгарских аспирантов, обучающихся в СССР в Москве, /май 1981 г./, на научной конференции молодых ученых в Институте физиологии растений АН УССР /г.Киев, октябрь 1981 г./, на научной конференции болгарских аспирантов, обучающихся в СССР в Москве, /июнь 1983 г./. Содержание работы докладывалось на заседаниях отдела биофизики и радиобиологии Института физиологии растений АН УССР, на заседаниях кафедры физиологии растений биологического факультета Киевского государственного университета им. Т.Г.Шевченко, на расширенном семинаре отделов физиологии водорослей, общей гидробиологии и экоток-сикологии Института гидробиологии АН УССР.

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ I.I. Первичная продукция и фотосинтез

В экологии гидробиологических систем важную роль играют основные понятия "продукция" и "продуктивность". Не вдаваясь в определения этих двух понятий и различий между ними, мы остановимся лишь на понятии продукция как выражении количества органического вещества, которое накапливается популяцией определенного вида или всей экосистемой на протяжении определенного интервала времени £lI9j . Как известно, в каждой экосистеме различают два вида продукции - первичную и вторичную. Первичная продукция является основой вторичной продукции экосистемы. Поэтов ее четкое дифференцирование и количественная оценка являются ключевыми моментами в исследовании экосистемы.

Под первичной продукцией понимают количество органического вещества, образованное автотрофными организмами из неорганических соединений на протяжении определенного временного интервала [lI9] , кроме того "способность экосистемы, потребляя внешнюю энергию обоих видов - лучистую и химическую, создавать первичные органические соединения высокого химического потенциала для дальнейшего их превращения и транспорта к более высоким уровням системы" [129] .

Первичную продукцию разделяют на валовую и чистую. Валовая первичная продукция означает общее количество органического вещества, образующегося в процессе фотосинтеза за единицу времени, включая и часть ее, расходуемую на дыхание [lI9j . Этот же автор определяет чистую первичную продукцию как количество органического вещества, накапливаемого автотрофами за единицу времени. Поскольку часть органического вещества расходуется на дыхание и тепловые потери, сопровождающие фотосинтез, обменные процессы, размножение клеток, чистая первичная продукция, как правило, меньше, чем валовая [lI9j .

На основе сформулированного выше определения первичной продукции обнаруживаются различия между ней и фотосинтезом. Последний представляет собой "процесс биологического преобразования электромагнитной /лучистой/ энергии в химическую" £l9j . В результате этого преобразования полученная химическая энергия обнаруживается в форме энергии химических связей молекул органического вещества. В клетках автотрофных организмов образование органических веществ сопряжено не только с фотосинтезом, но и такими процессами, как усвоение ряда питательных веществ, их транспорта и метаболических превращений. Поэтому первичную продукцию следует отождествлять не только "с фотосинтезом, но и со всем первичным биосинтезом, который складывается из фотосинтеза и минерального питания" [l7j . Для обозначения процесса образования первичной продукции более подходит следующее уравнение:

С02 + (пеон) + П + Uz0 /I/ где d 1^2. - донор водорода, в качестве которого могут быть И^О или И^З , либо иное восстановленное органическое соединение l7, I29J . Данное уравнение не ограничивается описанием анаэробных фотоавтотрофов, характеризуя также бактериальные реакции [I29J .

Далее отметим, что образование веществ в гетеротрофном питании не относится к первичной продукции, хотя и создаваемая при этом биомасса частично принадлежит первичным продуцентам. В сущности эта продукция является вторичной.

Очевидно, процесс образования первичной продукции следует рассматривать как более широкий, чем фотосинтез. Однако ее измерения в большинстве случаев отличались бы высокой точностью, если бы мы были в состоянии для всей экосистемы точно определять интенсивность фотосинтеза, которая практически охватывает почти всю первичную продукцию. При сравнении значений валовой первичной продукции и интенсивности истинного фотосинтеза можно отметить некоторые моменты. Во-первых, интенсивность истинного фотосинтеза - это величина физиологического характера. Она измеряется для определенного биологического вида /видов/ при фиксированных условиях температуры, обеспечения элементами питания, освещения. Как уже отмечалось выше, валовая первичная продукция является величиной продукционно-экологического характера. В теоретическом аспекте с хорошим приближением валовая первичная продукция коррелирует со значениями истинного фотосинтеза на протяжении всего светового дня в естественных условиях водоема. Значит, величина валовой первичной продукции является как бы интегралом Функции интенсивности истинного фотосинтеза. Если в теоретическом плане с хорошим приближением интенсивность истинного фотосинтеза и валовую первичную продукцию можно рассматривать как идентичные величины, то при их измерении обнаруживаются некоторые различия мевду ними. Одно из таких различий состоит, в частности, в том, что измерения валовой первичной продукции представляют собой отдельные оценки реально происходящего истинного фотосинтеза. В настоящее время ошибка измерения валовой первичной продукции как экологической величины существенно выше, чем ошибка измерения физиологической величины интенсивности истинного фотосинтеза.

Заключение Диссертация по теме "Гидробиология", Калчев, Румен Кирилович

- 142 -ВЫВОДЫ

1. По форме индукционной кривой медленной фазы индукции флуоресценции хлорофилла гп и-ifro и по форме спектра флуоресценции и его второй производной можно определять таксономическую принадлежность водорослей. Возрастные изменения характеристик пигментов клеток водорослей оказывают влияние на параметры флуоресценции. Поэтому максимальная эффективность таксономических определений реализуется при одновременной регистрации трех отмеченных выше параметров флуоресценции - формы индукционной кривой, спектра флуоресценции и его второй производной. Поскольку указанные параметры достаточно точно регистрируются современной аппаратурой, флуоресцентные характеристики могут быть отнесены к числу точных прижизненных критериев таксономической принадлежности водорослей.

2. Линейная корреляция между интенсивностью фотосинтеза на единицу хлорофилла а и параметрами флуоресценции, зарегистрированными без применения ингибитора фотосинтетического электронного транспорта /моноурон/, оказывается менее стабильной, чем корреляция между интенсивностью фотосинтеза и флуоресцентными параметрами, полученными при использовании моноурона. Исключение составляет линейная корреляция между площадью спектра флуоресценции и фотосинтезом на единицу хлорофилла а, которая обнаруживает наиболее высокий коэффициент корреляции в условиях миксо-трофного питания. Подобное исключение наблюдается и для связи между соотношением полос при 648 и 682 нм в спектре флуоресценции водоросли и интенсивностью фотосинтеза в стационарной фазе роста водорослевой суспензии.

3. Стрессовое воздействие нитратом и фосфатом нарушает характер связи между интенсивностью индукции флуоресценции в присутствии моноурона и содержанием хлорофилла а, почти не сказываясь на корреляцию между флуоресцентными параметрами, полученными с применением моноурона, и первичной продукцией кислорода на единицу хлорофилла а. При добавлении глюкозы /миксотрофное питание/ обнаруживается противоположное поведение рассмотренных корреляций.

4. Зависимость между разностью интенсивностей индукции флуоресценции с применением и без применения моноурона и первичной продукцией кислорода на единицу хлорофилла а меньше изменяется при стрессовых воздействиях на суспензию, чем корреляционная связь между первичной продукцией и соотношением интенсивности индукции флуоресценции с применением и без применения моноурона. Это указывает на то, что первый тип связи между флуоресценцией и продукцией является более подходящим для применения на водоемах с быстрыми и частыми изменениями экологических факторов.

5. Кратковременные воздействия стрессового характера не вызывают достоверных изменений в линейных регрессионных коэффициентах при уровне достоверности Р=0,95 для всех исследованных зависимостей параметров флуоресценции с первичной продукцией кислорода на единицу хлорофилла а или с содержанием хлорофилла а. Некоторые из наблюдаемых различий между коэффициентами линейной регрессии разных видов водорослей для зависимостей между флуоресцентными и ростовыми параметрами водорослевой суспензии можно сгладить логарифмируя значения величин, используемых для вычисления регрессии.

6. Соотношение интенсивностей индукции флуоресценции с применением и без применения моноурона и разность этих величин на единицу хлорофилла а позволяют характеризовать фотосинтетический потенциал водорослей, а не интенсивность реально происходящего фотосинтеза. Поскольку водоросли не всегда реализуют весь свой фотосинтетический потенциал, необходима калибровка показаний флуоресценции для разных условий /например, интенсивности освещения/.

7. По особенностям связи меяеду соотношением интенсивностей полос при 648 и 682 нм в спектре флуоресценции водоросли f), ri&lil-Cs и первичной продукцией кислорода на единицу хлорофилла а можно рассчитывать относительные изменения первичной продукции при постоянных интенсивностях освещения. Вероятно, на этой связи можно будет основывать методы дистанционного измерения первичной продукции.

8. По интенсивности индукции флуоресценции клеток с добавлением моноурона /диурона/, можно рассчитывать абсолютные значения содержания хлорофилла а в культуре при разных величинах освещенности. Показания флуоресценции легко калибруются путем определения содержания хлорофилла а в вытяжках органических растворителей.

9. Предложен метод определения содержания кислорода в водной среде на газовом хроматографе. Относительная ошибка метода 2,6%. Разработаны также две методики определения интенсивности фотосинтеза культур планктонных водорослей с помощью газового хроматографа.

10. Результаты представленной работы позволяют рекомендовать применение флуоресценции хлорофилла v-ifro для разработки методов дистанционной диагностики или других способов измерения, основанных на использовании ингибиторов фотосинтетического электронного транспорта, с целью получения более быстрой и точной оценки процесса продуцирования органического вещества в водных экосистемах.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Калчев, Румен Кирилович, Киев

1. Алекин О.А. Химия океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. -248 с.

2. Бродский А.И. Физическая химия. М.; Л.: Госхимиздат, 1948, т.2, с.492-988.

3. Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов. Минск : Изд-во АН БССР, I960. - 329 с.

4. Владимирова М.Г., Семененко В.Е. Интенсивная культура одноклеточных водорослей. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 58 с.

5. Гамаюнова М.С., Кочубей С.М., Островская Л.К. и др. Фотохимические системы хлоропластов. Киев : Наук, думка, 1975. -205 с.

6. Гродзинский A.M., Гродзинекий Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. Киев : Наук, думка, 1973. - 591 с.

7. Гродзинский Д.М. Биофизика растений. Киев : Наук, думка, 1972. - 256 с.

8. ГУлиев Ф.А., Коробков М.Е., Кочубей С.М. Применение метода производной спектроскопии для исследования тонкой структуры спектра флуоресценции фрагментов хлоропластов. Журн. прикл. спектроскопии, 1978, т.29, № 4, с.646-651.

9. Заика В.Е., Макарова Н.П. К определению первичной продукции по содержанию хлорофилла в море. Экология моря, 1982,1. II, с. 9-15.

10. Иваненков В.Н. Способ учета продукции кислорода при фотосинтезе в океане. Рыбное х-во, 1983, № I, с. 36-37.

11. Калчев Р.К. Флуоресценция хлорофилла и продуктивность пресноводного фитопланктона. В кн.: Материалы науч. конф. болгарских аспирантов, обучающихся в СССР. Москва, II мая, 1981 г. София, 1981, ч.Н, с. 543-548.

12. Калчев Р.К., Кочубей С.М., Гродзинский Д.М. Связь между флуоресценцией хлорофилла in &£u-o и продуктивностью водоросли Дпи£г>гя, imriti&t.г& . Гидробиол. журн., 1983,т.19, № 6, с.36-39.

13. Карапетян Н.В. Переменная флуоресценция хлорофилла при фотосинтезе. Успехи соврем, биологии, 1977, т.83, № 3,с. 370-386.

14. Карнаухов В.Н., Яшин В.А. Бесхлорофильный режим энергообеспечения синезеленых водорослей в тропической Атлантике. -Физиол. растений, 1981, т.28, № 4, с. 873-877.

15. Кобленц-Мишке О.И. Первичная продукция. В кн.: Биология океана. М., 1977, тЛ, с. 62-64.

16. Кобленц-Мишке О.И., Ведерников В.И. Первичная продукция. -В кн.: Биология океана. М., 1977, т.2, с. 183-209.

17. Константинов А.С. 0 критериях оценки состояния пресноводных экосистем в условиях комплексного использования водоемов. -Гидробиол. журн., 1983, т.19, № I, с. 3-13.

18. Либберт Э. Физиология растений. М.: Мир, 1976. - 580 с.

19. Литвин Ф.Ф., Стадничук И.Н., Щубин В.В. Вторая производная спектров флуоресценции и возбуждения флуоресценции хлорофилла и сопровождающих пигментов в высших растениях и водорослях. Науч. докл. высш. школы. Биол. науки, 1976, № 9, с. 36-46.

20. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. Изд. 4-е, М.: Химия, 1971. - 454 с.

21. Марценюк П.П., Карнухов В.Н. Люминесцентные спектральные характеристики клеток синезеленых водорослей /цианобакте-рий/. Гидробиол. журн., 1979, 15, № I, с. 69-73.

22. Новокшонов Ю.Д., Безруков Н.П. Сравнительная характеристика методов определения первичной продукции и деструкции планктона рыбоводных прудов. Сб. науч. тр. НИИ оз. и реч. рыб. х-ва, 1981, № 162, с. 205-210.

23. Оуэн Д.Б. Сборник статистических таблиц. М.: Вычислительный центр АН СССР, 1973. - 586 с.

24. Плохинский Н.А. Алгоритмы биометрии. Изд. 2-е, М.: Изд-во Московск. ун-та, 1980. - 150 с.

25. Плохинский Н.А. Достаточная численность выборки. В кн.: Биометрический анализ в биологии. М., 1982, с. 152-157.

26. Приймаченко А.Д. Фитопланктон и первичная продукция Днепра и днепровских водохранилищ. Киев : Наук, думка, 1981. -278 с.

27. Романенко В. И. Определение фотосинтеза фитопланктона во внутренних водоемах. Тр. Ин-та биол. внутр. вод. Вып. 21/24. Биология и продуктивность пресноводных организмов, Л.: Изд-во Наука, 1971, с. 234-240.

28. Савинов В.М. Информационно-логический анализ формирования первичной продукции в прибрежье восточного Мурмана. Планктон прибреж. вод Вост. Мурмана. Апатиты, 1982, с. 24-32.

29. Сигарева Л.Б. Некоторые данные об изменениях концентраций пигментов фитопланктона и рН среды в склянках при измерении фотосинтеза. Биол. вцутр. вод. Информ. бюл., 1980, № 46, с. 8-12.

30. Сиренко Л.А. Кислородная продуктивность. В кн.: Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике. Киев, 1975, с. 65-75.

31. Сиренко Л.А. Методы количественного учета водорослей в культуре и водоеме. В кн.: Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике. Киев, 1975, с. 30-50.

32. Сиренко Л.А. Приложение 1-3. В кн.: Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике. Киев, 1975, с. 223-233.

33. Сиренко Л.А., Сидько §.Я., Франк Н.А. и др. Вертикальное распределение хлорофилла в евтрофном водоеме как интегральный показатель соотношения продукционно-деструкционных процессов. Гидробиол. журн., 1982, т.18, № 6, с. 73-83.

34. Тенно Т., Кооритс А., Антон А. Об определении содержания кислорода и БПК амперометрическим датчиком кислорода. В кн.: Пробл. соврем, экол. аспекты охраны окруж. среды в Эстонии: Тез. 2 Респ. Экол. конф. Тарту, 8-10 апр., 1982 г. Тарту, 1982, с. 101.

35. Цвылев О.П., Ткаченко В.Н. О возможности фотохемилюминесцент-ной оценки продукционной способности фитопланктона. Океанология, 1977, т.17, вып.5, с. 883-889.

36. Цвылев О.П., Ткаченко В.Н., Старцева А.И. Замедленная флуоресценция природных сообществ морского фитопланктона. -Экология, 1980, № 4, с. 18-24.

37. Черепина Г.И. К вопросу о высоком содержании кислорода в затемненных склянках при определении первичной продукции кислородным методом. В кн.: Основы изучения пресноводных экосистем. Л., 1981, с. 153-156.

38. Широкова Е.Л. Коррелятивные связи в процессе продуцирования органического вещества в воде и их интерпретация. В кн.: Использование новых средств формального описания при решении проблем охраны окружающей среды. 1980, с. 19-26.

39. Щербак В.И., Кленус В.Г. Сравнительный анализ величин первичной продукции фитопланктона, определяемых скляночным методом в кислородной и радиоуглеродной модификациях. -Гидробиол. журн., 1982, т.18, Ш I, с. 18-21.

40. Щербак В.И. К расчету первичной продукции фитопланктона под I м^. Гидробиологические исследования водоемов юго-западной части СССР. Киев, 1982, с. I30-I3I.

41. Щербак В.И. Изучение суточной динамики образования первичной продукции фитопланктона. Гидробиологические исследования водоемов юго-западной части СССР. Киев, 1982,с. I3I-I32.1. XXX

42. Adler В., Beyer D«, Birkhahn J. et al. Analytikum: Methoden der analytischen Chemie und ihre theoretisehen Grundlagen. 4, tiberarbeitete Auflage, "VEB Deutsher Verlag fttr Grundstoffindustrie Leipzig, 1979,- 615 s»

43. Alpine A.E. Can "Tn vivo" Fluorescence Be Used to Estimate Chlorophyll in a Estuaries? Estuaries, 1981, vol. 4, Ы 3, p. 299.

44. Arndt I.A. Kleinea Formellexikon. VEB Verlag lechnik, Berlin, 1974. - 560 S.

45. Arvola L. Spectrophotometric determination of chlorophyll and phaeopigments in etanol extraction. — Ann. Bot. Fennici, 1981, vol. 1B, p. 221-227. I

46. Benedix E.H., Casper S.J., Danert S. et al. Niedere Pflan-zen: Urania. Pflanzenreich, Bd 1, Urania Verlag, Leipzig. Jena.Berlin, 1974. 501 S.

47. Beneke G., Falke ¥., Schmidt. Ch. Use of Algal Fluorescence for an Automated Biological System. Bull. Environm. Contam. Toxicol., 1982, vol. 28, p. 385-395.

48. Birmingham B.C., Colman B. Measurements of carbon dioxide compensation points of freshwater algae. Plant Physiol., 1979, vol. 64, p. 892-895.

49. Birmingham B.C., Coleman J.R., Colman B. Measurement of Pho-torespiration in Algae. — Plant Physiol., 1982, vol. 69,p. 259-262.

50. Bruun J.E., Gronlund L. A comparison of methods for estimating phytoplankton daily primary production and production capacity off tvarmine south coast of Finland, in 1979. -Meri, 1980, N 9, p. 107-115.

51. Bukatsch F. Das kleine pflanzenphysiologische Praktikum. -9 Auflage, VEB Gustav Fischer Verlag Jena, 1980. 335 S.

52. Carlson R.E., Shapiro J. Dissolved Humic Substances a Major Source of Error in Fluorometric Analysis Involving Lake Waters. - Limnol. and Oceanogr., 1981, vol. 26, N 4,ip. 785-790. <- 1,51

53. Coleman J.R., Colman Б. Demonstration of С ^-pho to synthesis in a bluegreen alga Coccochloris peniocystis. Planta, 1980, vol. 149» N 3, p. 318-320.

54. Coleman J.R., Colman Б. Effect of oxygen and temperature on the efficiency of photosynthetic carbon assimilation in two microscopic algae. Plant Physiol., 1980, vol. 65,p. 980-983.

55. Coleman J.R., Colman Б. Effect of external pH on carbon accumulation and C02-fixation in a blue-green algae. -"5th Int. Congr. Photosynth. Halkidiki, 1980 Abstr.", S.L. s.a., p. 123.

56. Cower J.F.R. Observation of "in situ" fluorescence of chlorophyll in aaSaanich Inlet. Boundary-Layer Meteorology, 1980, vol. 18, p. 235-245.

57. Doty M.S., Oguri M. 5Che carbon-Fouteen technique for determining primary plankton productivity. Publ. Stn. Zool. Napoli (Suppl.), 1959, vol. 31, p. 70-94.

58. Dohler (J. Einflus von Sauerstoff auf die photosynthetische CO^-Pixierung von Synechoccus (Anacystis nidulans Stamm1.1402-1). Z. Naturforsch., 1981, С 36, N 1-2, S. 93-97.

59. El-Shaarawi A., Munawar M. Statistical evolution of the relationships between phytoplankton biomass, chlorophyll a and primary production in lake Superior. J. Great Lakes Res., 1,978, vol. 4, N 3-4, p. 443-455.

60. Faust M.A., Horris K.H. Rapid in vivo spectrophotometric analysis of chlorophyll pigments in intact phytoplankton cultures. Br. Phycol. J., 1.982, vol. 1:7, p. 351-361.

61. Gallegos C.L., Piatt T. Photosynthesis measurements on natural populations of phytоplankton: numerical analysis» Can. Bull. Fish Aquat. Sci., 1981,vol.2I0,p. ■ I03-II2.

62. Gessner F. Der Chlorophyllgehalt der Seen als Ausdruck ihrer Produktivitgt.- Arch. Hydrobiol. ,19^4, Bd 40,1. S. 687-752.

63. Golterman H.L., Wisselo A.G. Ceriometriy, a method for chemical oxygen demand and dissolved oxygen ( with a discussion on the precision of the Yfinkler technique (.-HydroMologia, 1981, vol.77, N.I, p. 37-42

64. Gordon H*R.,Clark D. Atmospheric iSffects in the Remote Sensing of Phytoplankton Pigments.- Boundary-Layer Meteo-rologiy, 1980, vol. 18, p. 299-313.

65. Govindjee, Papageorgiou G. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: fluorescence transients.- In: Photophysio-logy, vol.6, New York , 1971, p.1-46.

66. Harding L.W», Meeson Jr.B.W., Prezelin B.B. et al. Diel Periodicity of Photosynthesis in Marine Photoplaniton.-Mar,Biol., 1981, vol. 61, p. 95-105.

67. Harrid G.P* Photosynthesis, productivity and growth : The physiological ecology of phytoplankton.- Arch. Hydrobiol,, 1978, Beih, 10, p. I- 171.

68. Herbland A. The soluble fluorescence in the open sea : Distribution and ecological significance in the eqatorial ocean.- J. Exp. Mar. Biol. Ecil.,1978,vol.32,p.275-284.

69. Ichimura s., Parsons T.R., Takahashi M. et al. a comparison of four methods for integrating I4C-primary productivity measurements per unit area.- J.Oceanogr. Soc. Jap., 1930, vol.36, N.5, p.259-262.

70. Jentsch Ch.S. Biochemical Factors Associated with. Remote Sensing of Color Change and Fluorescence. loxic Dinofla-gellate, 1979, P. 297-3o2.

71. Jobson D.J., Zingmark R.G., Katzberg St.J. Remote sensing of benthic microalgal biomass with a tower-mounted multispec-tral scanner. Remote Sens. Environm., 1980, vol. 9, N 4, p. 351-362.

72. Kiefer D.A. Fluorescence properties of natural phytoplankton populations. Mar. Biol., 1i973, vol. 22, p. 263-269.

73. Kiefer D.A. Chlorophyll a fluorescence in marine centric diatoms: Responses of chloroplasts to light and nutrient stress. Mar. Biol., 1,973, vol. 23, p. 39-46.

74. Kreeb K. Methoden der Pflanzenokologie. VEB Gustav Fischer Verlag Jena, 1977. - 235 S.

75. Kulandaivelu G., Senger H. Changes in the Reactivity of the Photosynthetic Apparatus in Heterotrophic Aging Cultures of Scenedesmus obliq,uus. Physiol. Plant., 1976, vol. 36,p. 157-164.

76. Kulandaivelu G., Daniell H. Dichlorphenyl dimethylurea (DCMU) induced increase of chlorophyll a fluorescence intensity. An index of photosynthetic oxygen evolution in leaves, chloroplasts and algae. - Physiol. Plant., 1980, vol. 48, p. 385-388.

77. Laane R.W.P.M., Koole L. OChe relation between fluorescence and carbon in the Ems-Dollart estuary and Western Wadden Sea. Neth. J. Sea Res., 1982, N 2, p. 21,7-227.

78. Laws JE.A., Archie J.W. Appropriate Use of Regression Analysis in Marine Biology. Mar. Biol., 1981, vol. 65, N f, p. 13-17.

79. Loftus M.E., Seliger H.H. Some limitations of the in vivo fluorescence technique. Chesapeake Sci., 1975, vol. 16, N 2i, p. 79-92.

80. Lorenzen C.J. A method for the continuous measurement of "in vivo" chlorophyll concentration. Deep-Sea Res., 1966, vol. 13, p. 223-227. Цит. ПО Strikland J.D.H. - 117.

81. Lund J.W.G. The ecology of the freshwater phytoplankton. -Biol. Rev., 1965, vol. 40, p. 231-293.

82. Manning W.M., Juday R.E. The chlorophyll content and productivity of some lakes in northeastern Wisconsin. Trans. Wise. Acad. Sci., 1941, vol. 33, p. 363-392.

83. Metzig G., Raschke E. The determination of chlorophyll from satellite measurements of the ocean color. Ann. Meteorol., 1982, vol. 18, p. 45-47.

84. Neveux J., Jupin H. Une appsoche vers le estimation de la production potentielle du phytoplankton par analyse des cinetiq,ues de induction de fluorescence. Mar. Biol., 1981, vol. 63, N 1, p. 13-23.

85. Nixdorf B. Primarproduktion und Eutrophierung im Miiggelsee. -Nachr. Mensch-Umwelt, 1980, N 2-4, S. 1,03-109.

86. Papageorgiou G. An intrinsic probe of photosynthesis. In: Bioenergetics of Photosynthesis. New lork - London, 1975, p. 319-371.

87. Parker R.R. A note on the so-called "soluble fluorescence" of chlorophyll in a natural waters,- Deep-Sea Res. PT A oceanogr. Res., I98I,vol.28, N.IO, p. I23I-I237.

88. Parker R.R., Tranter D.J. Estimation of algal standing stock and growth parameters using in vivo fluorescence,-Austr. J. mar. Freshwat. Res., 1981, vol.32, H,4,p. 629-638.

89. Peterson B.J. Aquatic primary productivity and the

90. Prezelin B.B., Sweeney B.M. Characterization of photosyn-thetic rhythms in marine Dinoflagellates. 2. Photosynthesis irradisnce curves and in vivo chlorophyll a fluorescence.- Plant Physiol., 1977,vol,60, N«3, p. 388392.

91. Prezelin B.B., Ley A.C. Photosynthesis and Chlorophyll a Fluorescence Rhythms of Marine Phytoplankton.- Mar. Biol., 1980, vol.55, P. 295-307.

92. Roy S., Legendre L. DCMU-enhanced fluorescence as an index of photosynthetic activity in phytoplankton.- Mar, Biol., 1979,vol. 55, P. 93- Iol.

93. Roy S., Legendre L. Field Studies of DCMU-Enhaneed Fluorescence as an Index of in situ Phytoplankton Photosynthetic Activity.- can. J. Fish Aquat. Sci., 1980, vol.37,1. P.I023-I03I.

94. Samuelsson G., Oquist G. A method for Studying Photo-synthetic Capacities of Unicellular Algae Based on "in vivo* Chlorophyll Fluorescence.- Physiol. Plant.,197?»vol.40, P. 315-319.

95. Schindler D.W., Schmidt R.V., Reid R.A. Acidification andbulbling as an alternative to filtration in determining14phytoplankton production by the С method.- J. Fish Res. Bd. Can., 1972, vol. 29, p. I627-I63I.

96. Schliper С» Methoden der Meresbiologischen Forschung.-VEB Gustav Fischer Verlag, Jena, 1968.- 322 S.

97. Schubert A. Praxis der Stisswasserbiologie.- 2 Auflage, Volk und Wissen, Volkseigener VerDsg Berlin, 1972,-158 S.

98. Schubert R., Wagner G. Pflanzennamen und botanische Fach-worter.- Neumann Verlag Leipzig, 1975,- 466 S.

99. Shiau Y.G., Frank J, Chlorophyll fluorescence and photosynthesis in algae, leaves and chloroplasts.- Arch. Bio-chem., 1947, vol. 14,p. 253-295.

100. Shimura S.} Fujita I. Changes in the activity of fucoxan-thin excited photosynthesis in the marine diatom phaeo-dactylum tricornutum grown under different culture condition.- Mar. Biol., 1975, vol.33, N.3, p. I85-194.

101. Steemann Nielsen E. The use of radioactive carbon (C1*)for measuring organic production in the sea. J. Cons. Int. Expl. Mer, 1952, vol. 18, p. 117-140. Цит.по Peterson B.J.95.

102. Steemann Nielsen E. The interaction of photosynthesis andrespiration and its importance for the determination of14.

103. С discrimination in photosynthesis. Physiol. Plant. 1955, vol.8, p. 945-953. 1i1i5. Steemann Nielsen E. On the determination of the activity in ^C-ampoules for measuring primary production. - Limnol. Oceanogr., 1965, vol. 10, Suppl. R, p. 247-252.

104. Steemann Nielsen E. The carbon-1.4 technique for measuring organic production by plankton algae. A report on the present knowledge. Polia Limnol. Scand., 1977, vol. 17, p. 45-48.

105. Tranter D.J., Parker R.R., Higgins H.W. In vivo Chlorophyll a Fluorescence in the Vinicity of Warm-core Eddies off the Coast of New South Wales 2 October 1978. - CSIRO Aust. Div. Fish Oceanogr. Rep. 1110. (1979).

106. Oho S., Sugahara Y., Hayakawa S. Remote sensing of chlorophyll found in. bodies of water. In: Proc. 14^ Int. Symp. Remote Sensing Environ., San lose, 23-30 Apr., 1980. vol. 2, Ann. Arbor. Mich., s.a. 1147-1157.

107. Vincent W.F. Phot о synthetic capacity measured by D CMU-induced chlorophyll fluorescence in an oligotrophic lake. -Freshwater Biol., 1981, vol. 11, N" 1, p. 61-79.

108. Vollenweider R.A., (Calling J.F., Westlake D.F. et al.

109. A Manual on Methods for Measuring Primary Production in Aquatic Environments, IPB Handbook N 12, Oxford and Edinburgh^ 1969. - 213 p.

110. ИЗО. Vrijhof H. In vivo fluorescence measurements of phytoplankton. Hydrobiol. Bull., 1980, vol. 14, Я 3, p. 213-215.