Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Новые подходы в использовании флуоресценции для изучения физиологии фитопланктона

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Новые подходы в использовании флуоресценции для изучения физиологии фитопланктона"

государственный комитет российской федерации по высшему образованию красноярский государственный университет

Р Г Б ОД

1 3 МАЙ 1BSS

На правах рукописи

Колмаков Владимир Иннокентьевич

новые подходы в использовании флуоресценции для изучения физиологии фитопланктона

03.00.12 - Физиология растений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор В.М. Гольд кандидат биологических наук, доцент H.A. Гаевский

Красноярск - 1996

Работа выполнена в Красноярском государственном университете

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор В.М, Гольд

кандидат биологических наук, доцент H.A. Гаевский

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор В.Н. Моргун (г.Красноярск)

кандидат биологических наук, с.н.с. Л.Р. Изместьева (г.Иркугск)

Ведущее учреждение: Институт Биофизики Сибирского отделения Российской Академии наук (г.Красноярск)

Защита состоится " О £ " ОС 1996 г. в _ часов на заседаню

специализированного совета К 0S4.61.02 при Красноярском государствен нон университете по адресу: 660041, г.Красноярск, пр. Свободный, 79

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Красноярской государственного университета

Автореферат разослан "do" О^ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат биологических наук , ! Е.Я. Мучкина

Общая характеристика работы ак туальность исследований. Недостаточная эффективность государственного контроля и управления качества водной среды объясняется отсутствием оперативной экологической информации, обеспечивающей в свою очередь принятие своевременных оптимальных управленческих решений. Согласно анализу, проведенному головными институтами Минэкологии России, действующие в стране гостнрованные системы ведомственных средств наблюдения и контроля за состоянием природной среды (Волков и др., 1992) имеют ряд существенных недостатков, среди которых:

- слабая степень автоматизации процессов получения информации;

- отсутствие алгоритмов комплексной обработки экологического материала;

- несовершенство методологии мониторинга;

- приоритет в регистрации химических показателей над биологическими.

В первую очередь это относится к методам изучения автотрофных организмов, продуцирующих первичные органические вещества и кислород, многообразно и глубоко влияющих на экологический режим водной среды. В качестве общепринятой и отработанной методической основы изучения фитопланктона, вплоть до настоящего времени, выступает визуальное изучение проб под микроскопом и прямое измерения продукции in situ. При этом, получить в полном объеме картину распределения фитопланктона и его физиологических характеристик при режимных долговременных наблюдениях, применяя лишь традиционные методы,"... которые не обладаютнеобходимымнинтегративностью и пространственно-временным разрешением, соответствующим скоростям процессов, протекающих в экосистеме" (с.6, Левин и др., 1992) чрезвычайно сложно. Поэтому, для диагностики фитопланктона все чаше используются комплексныеоперативпые системы, основанные на контактных флуоресцентных методах.

Для наиболее пол ной реализации потенциальных возможностей этих методов на кафедре физиологии и микробиологии Красноярского госуниверситета была разработана специальная флуоресцентная система диагностики фитопланктона [ФСДФ), которая включает аппаратуру, методы и алгоритмы расчетоз рахтичных параметров (Гольд и др., 1986; Метод, рекомендации ..., 19891.

целью работы было рассмотрение двух направлений использования ФСДФ три изучении планктонных водорослей:

-диагностика состояния фитопланктона внутренних водоемов по основным флуоресцентным показателям;

- получение новой информации в области экологической физиологии планктонных водорослей.

По первому направлению были поставлены следующие задачи:

- оценить эффективность использовании флуоресцентных показателей для выделения фаз развития фитопланктона;

-определить возможности перехода от отдельных флуоресцентных измерений к продукционным величинам, характеризующим состояние водоема в целом.

По второму направлению:

- рассмотреть новый подход при оценке первичной продукции водорослей по энергетической эффективности хлорофилла "а" (САЧ:1ФАР);

- определить зависимость введенных авторами эколшо-физиологических показателей (АЧ:1„ или САЧ:£ФАР) оттаксономической структуры фитопланктона;

- установить таксономическую специфичность в суточной вертикальной динамике планктонных водорослей и дать ее физиологическое обоснование.

Важной стороной работы является дальнейшее совершенствование ФСДФ. В связи с этим, была поставлена задача изучения возможности замены гербицидов (диурон, симазин), используемых в качестве ингибиторов электронно-транспортной цепи, на ультразвуковое излучение.

На защиту выносятся следующие основные положения.

На основе использовании флуоресцентного метода исследования фитопланктона, доказана таксономическая специфичность удельной энергетической эффективности хлорофилла "а", что не удавалось установить применяя традиционные методы.

Дли определения продуктивности фитопланктона предложены расчетные методы, где в качестве исходных данных используются результаты флуоресцентного метода. В отличие от известных, они позволяют учитывать гетерогенность таксономического состава, физиологического состояния и характера вертикального распределении в столбе воды планктонных водорослей.

На основе изучения флуоресцентных показателей установили специфику вертикальных перемещений диатомовых и синезеленых водорослей и их физиологической активности.

С помощью комплекса флуоресцентных характеристик (флуоресценция хлорофилла "а", флуоресценция фона, вариабельная флуоресценция) выделены различные фазы (периоды) развития фитопланктона. Каждой фазе соответствует определенный характер вертикального распределения и количественный уровень флуоресцентных показателей.

научная новизна. На основе анализа данных доказана таксономическая специфичность удельной энергетической эффективности хлорофилла "а". Рекомендовано в дальнейшем использовать этот показатель при дифференцированной оценке первичной продукции смешанного планктонного сообщества. Предложены расчетные методы определения продуктивности фитопланктона, где з качестве исходных данных используются результаты флуоресцентного метода. Установлена специфика в вертикальных суточных перемещениях у диатомовых и ;инезеленых водорослей.

практическая значимость. Предлагаемая работа является составной 1астыо исследований, направленных на дальнейшее совершенствование и .юдернизацию флуоресцентной системы диагностики фитопланктона, которую т практике используют ряд научно-исследовательских институтов и высших 'чебных заведений. Полученные материалы но флуоресцентной диагностике тланктонных водорослей Кантатского водохранилища и озера Шира были [спользованы для построения имитационной системы прогноза и выработки дологических оценок сценариев по улучшению качества воды сотрудниками {нституга Биофизики СО РАН.

Работа выполнена на кафедре физиологии и микробиологии Красноярского осуниверситета в'рамках госбюджетной программы.

апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзном овешан и и по вопросам методики изучения первичной продукции фитопланктона Борок, 1989), Международной конференции "Фундаментальные и прикладные :роблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), семинаре кафедры шзиологии и микробиологии Красноярского госупиверситета (1996), собрание красноярского отделения ГБО при РАН (1996). Тезисы докладов были редставлены на конференции с международным участием "Региональная

экология" (Новокузнецк, 1994), 2-й Международной научно-практической конференции "Экология и охрана окружающей среды" (Пермь, 1995) и региональной конференции "Экологическое состояние и природоохранные проблемы Красноярского края" (19951.

выигранные гранты. Исследования по теме диссертации были поддержаны грантом по фундаментальным исследованиям в облаете биологии Госкомитета Российской Федерации по высшему образованию (Санкт-Петербург, 1996), грантом "Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии человека" (Томск, 1996), грантами Красноярского краевого фонда науки по фундаментальным исследованиям 1М" 1Р0166 (1993) и 4Я0225 (1995), а также стипендией для молодых ученых того же фонда.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

структура и объем работы. Диссертация состоит из введении, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 9 иллюстраций и 27 таблиц. Списоклитературы включает 174 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ дано обоснование темы диссертации, ее научная новизна, сформулированы цель и задачи исследования.

глава 1. использование флуоресценции для изучения планктонных водорослей: обзор л итературы

Флуоресцентную контактнуюдиагностикуфитопланетона развивали в СССР несколько научных групп. При этом, параллельно с практическим использованием флуоресценции, они разрабатывали и совершенствовали техническое оснащение (Франк и др., 1979; Карабашев, 1983; Лила, Ханаев, 1983; Сиренко и др., 1986; Шавыкин, Иванов, 1986; Маторин, Венедиктов, 1990; и др.). В настоящее время флуоресцентный анализ особенностей функционирования фитопланктона на многих водоемах России принял постоянный характер. Масштабные исследования проводятся на оз. Байкал (Маторин и др., 1989; Вавилинидр., 1993; Изместьева, Кузнецов, 1993; Изместьева, Полынов, 1993), р.Москве (Полынов, Венедиктов, 1992), Куйбышевском водохранилище (Паутова, Номоконова, 1994), р.Енисей (Лопатип и др., 1995) и т.д..

Учитывая интенсивный характер и периодичность исследовательских работ при мониторинге больших акваторий, актуальной задачей является определение

\

продукционных характеристик фитопланктона расчетными методами, где исходные параметры находятся на основе флуоресцентных методов {Oquist et al., 1982; Kiefer, Booth, 1986; Гольд, Попельницкий, 1993; и др.). Основное преимущество этих методов заключается в том, что они не требуют длительного экспонирования проб воды в замкнутых объемах, исключая тем самым "скляночные эффекты".

3 конце главы на основании анализа литературы формулируются требования предъявляемые к расчетным методам определения первичной продукции Ьитопланктона по измерениям флуоресценции.

глава 2 объект исследований и методы

Объектом исследований был фитопланктон Кантатского водохранилища, >зера Шира, лесного озера в черте г.Красноярска и залива Кантегирская Зосновка Саянского водохранилища. В данной главе рассматриваются гидрологи-[еские и гидробиологические режимы этих водоемов. Дается описание применяв-иихся в работе полихроматической системы флуоресцентной диагностики мшз планктона и спектрофотометрического метода определения содержания лорофилла "а". Излагаются методические аспекты измерений света в водной олше.

Проблемы замены гербицидов ультразвуковым облучением при флуоресцентной иагностике водорослей

Одной из причин погрешностей флуоресцентных измерении концентрации юрофилла "a" (C^ J in situ могут быть различия фотосинтетической активности эдорослей, вариации которой способны изменить интенсивность свечения в 2 2,5 раза (Гольд и др., 1983). Для исключения этого фактора в ФСДФ, перед змерением флуоресценции в пробу с суспензией микроводорослей добавляют нгибитор электронного транспорта диурон, или его аналог - симазин (Голь-рельд, Карапетян, 1986). Однако использование этого приема, как в полевых, iK и лабораторных условиях, имеет существенные недостатки, поскольку требует »блюдения определенных мер безопасности, направленных на предотвращение эпадания этих хлорорганических соединений в водоемы.

Для определения возможности замены диурона на ультразвуковую обработку ювели лабораторный эксперимент, где изучили влияние ультразвука на ;ельные выходы флуоресценции у представителей трех основных отделов

водорослей (синезеленых, диатомовых, зеленых). Изменения флуоресцентш характеристик у анализируемых культур водорослей зависели от време» обработки ультразвуком и спектрального состава возбуждающего света (табл. 1

Таблица

Действие ультразвуковой обработки на удельные выходы флуоресценш (М±т) чистых культур представителей синезеленых, диатомовых и зелен! водорослей возбуждаемой синим MHJKC =410 им), сине-зеленым (/макс =510 н: и зеленым = 540 нм) светом

Культура Время обра- Удельный выход флуоресценции

водорослей ботки, сек 410 нм 510 нм 540 нм

Chlorella 0 1.00* 1.00" 1.00"

vulgaris 5 0.83±0.04 0.81 ±0.03 0.78 ±0.03

15 0.82±0.02 0.79 ±0.05 0.76 ±0.04

30 0.77 ±0.04 0.69 ±0.04 0.61 ±0.05

60 0.77±0.02 0.69 ±0.05 0.69 ±0.02

120 0.62±0.03 0.53 ±0.03 0.54±0.05

Nitzschia 0 1.00" 1.00' 1.00'

palea 5 0.48 ±0.02 0.44 + 0.03 0.43 ±0.05

15 0.44 ±0.02 0.39 ±0.07 0.35 + 0.05

30 0.61 ±0.04 0.47 ±0.03 0.42±0.03

60 0.64±0.03 0.46 ±0.04 0.43±0.02

120 0.66±0.05 0.37 ±0.03 0.35 ±0.04

Anabaena 0 1.00" 1.00" 1.00'

variabilis 5 1.21 ±0.05 1.71 ±0.08 1.81 ±0.07

15 1.20±0.04 1.96 + 0.10 2.12±0.08

30 1.21 ±0.03 2.00±0.04 2.17 ±0.04

60 1.21 ±0.03 2.04±0.05 2.16+0.03

120 1.21 ±0.03 2.04 + 0.04 2.24±0.05

" - значения удельных выходов флуоресценции до обработки ультразвуке приняты за единицу.

Наблюдаемые различия в характере ответа сигнала флуоресценции объяснили, исходя из специфики организации пигментного аппарата синезеле-ных, диатомовых и зеленых водорослей. У Anabaena variabilis возможной причиной значительного увеличения сигнала флуоресценции при возбуждении сине-зеленым и зеленым светом, может быть отделение фикобилинов от поверхности мембран, способных флуоресцировать в свободном состоянии. У Nitzschia palea и Chlorella vulgaris общее снижение интенсивности флуоресценции, вероятно, связано с безизлучательной диссипацией энергии возбуждения.

Таким образом, при воздействии ультразвука на клетки водорослей, наряду с блокированием фотосинтеза, идет процесс общего разрушения фотосинтетачес-кого аппарата. Поэтому, нельзя оценить величину вариабельной флуоресценции, связанную с ингибированием фотосинтеза. Следовательно, возможность оценки фотосинтетической активности водорослей при переходе от ингибиторной к ультразвуковой методике по вариабельной флуоресценции исключается.

глава 3. флуоресцентная диагностика фитопланктона |на примере хантатс1сого водохранилища)

Флуоресцентная диагностика была использована на Кантатском водохранилище в 1989-1991 гг.. С помощью ФСДФ получили информацию о концентрации хлорофилла "а", таксономической структуре, удельной фотосинтетическои активности клеток водорослей, флуоресценции фона воды. В течение вегетационного сезона 1989г. по количественному уровню флуоресцентных параметров (CJ""-, Си <ОФл/Флаиуро1(, ФЛфоН) и характеру их вертикальной стратификации, выделили четыре фазы развития фитопланктона водохранилища: I - до "цветения" диатомовых водорослей, II - "цветение" диатомовых. III - "цветение" синезеленых; IV - после "цветения" синезеленых (рис.1). Вертикальная стратификация достоверно присутствовала: по С)Ц1/"ЗТ в 1,11,111 периоды; по С„ асиноел и по £>Фл/Флдиур0Н - в III период. В 1990 -1991 гг. закономерности в развитии фитопланктона сохранялись, но происходили существенные изменения в сроках начала и продолжительности выделенных фаз.

Таким образом, с помощью комплекса флуоресцентных показателей, полученных на основе ФСДФ, можно оперативно определять фазы развития фитопланктона внутренних водоемов.

О

я

1 ^

п

35 § 35

2) 15

3 «I

и

1 О"

Периоды

Шриоды

"е

ее

0,4 ЦК

рг

ВД

С* 13 01 ЦС5 О"

,-П

г*. 1

и' I

ч ]

'I ;

2

Пгрггоды

V

к

ГЗ ■о

с

§•¡3 е

с

© А

2

0

> -

■5 2 3 4

Пгр^оды

Рис.1. Результаты флуоресцентной диагностики фитопланктона б различные периоды его развития (Кактатское водохранилище, 1989 г.). ( I ] —поверхность; - прозрачность ; — дно. Периоды: 1 — до "цветения" диатомовых; 2— "цветение" длатомовых;

3— "цветение" синезеленых; 4— после "цветения" синезеленых

глава 4. использование флуоресценции для изучения продуктивности фитопланктона

Алгоритмы расчета первичной продукции на основе измерений флуоресценции

Изучение связи содержания хлорофилла "а" с интенсивностью фотосинтеза фитопланктона и эффективностью утилизации солнечной энергии имеет большое значение для разработки теоретических основ энергетики функционирования водных экосистем и представляет практический интерес в плане поиска новых либо модернизации уже известных методов оценки первичной продукции. Попытка нахождения приемлемых условий перехода от "точечных" флуоресцентных измерений к показателям первичной продукшшзаболеедлительныеотрезки времени привела к разработке двух расчетных алгоритмов:

1 - = ь x .i. х с„.„(я) хдг>л/$лДЮГ<т(Н)хе"*'' с1н (!>

где, 2А - интегральная первичная продукция фитопланктона под 1 м2; Ь -коэффициент перехода, 10 - интенсивность света в области ФАР на поверхности зоды (Вг/мг), К - коэффициент Пуля-Аткинса, Э - прозрачность воды по диску Секки (м), Н - глубина (м).

тт.'Пг - слч' * г' V Г1"1 ♦ САЧ" V г>» V г1«» ♦ СД1?С"* V г"' V т'"1 (2) ■

11 ^Л ТШ> х * г* Тсйр * х г° "ТЖр" х сх Т'

где САЧ3/1ФАР, САЧЛ/ХФАР, САЧС '/1ФАР- суточные ассимиляционные числа под 1 м2 для соответствующих таксономических групп водорослей (зеленые, диатомовые, скнезеленые) относительно интенсивности света при их определении (мг 02/мг хл*МДж); Сх1а\ С^/, С^/'5 - концентрация хлорофилла "а" соответственно зеленых, диатомовых, синезсленых водорослей; 10'"х|- интенсивность света на поверхности в конкретном эксперименте по определению 2А.

Для определения возможности использования двух представленных расчетных алгоритмов (1 и 2) провели параллельные определения суточной первичной продукции скляночным в кислородной модификации (экспозиция -6 ч) и флуоресцентным методами в условиях Кантатского водохранилища. Скляночную первичную продукцию под 1 м2 находили двумя способами: общепринятым интегрированием распределения А на конкретных горизонтах и

с помощью расчетного уравнения Фолленвайдера-Бульона:

где А^ - максимальная первичная продукция (г Ог/м3*сугки), S - прозрачность воды. Последний алгоритм наиболее часто приводится в литературе и рекомендуется для широкого использования при изучении водных экосистем (Нестеренко, 1986; Бульон, 1994).

Среднее квадратическое отклонение величин, полученных интегрированием измерений скляночного метода по горизонтам и расчетными методами (по уравнению 1, 2, 3), составило соответственно - 2.99; 3.99; 4.11 (табл.2). Математическая обработка представленных втабл. 2 данных методом однофактор-ного дисперсионного анализа (где, в качестве вариантов градаций фактора -результаты интегрирования и одного из анализируемых расчетных методов) показала, что различия между результатами методов статистически недостоверны: Д™ 1 " ^экс.= 0.27, для 2 - F,,.c =0.23, для 3 - F3KC =0.09, т.е. во всех случаях (F,^<F005 (1:26) = 4.2). Следовательно, предложенные алгоритмы мо;хно использовать для расчетов первичной продукции фитопланктона.

Используя алгоритм 1 провели расчеты всех важнейших показателей продуктивности фитопланктона Кантатского водохранилища; среднесуточно*';, среднемесячной, средней за вегетационный сезон первичной продукции под 1 м2 для отдельных станций и водоема с целом. Определили, что фитопланктон целого водоема в результате фотосинтетической деятельности выделил 1545 тонн 02 в 1939г. и 1604 т 02 в 1990г. Рассмотрели эффективность утилизации ФАР (КПДф,р под м2) в разные фазы развития фитопланктона или доминирование отдельных видов и констатировали отсутствие таксономической специфики данного показатель.

Изучение вертикального распределения фитопланктона на оз. Шира (19871990 гг.) и лесном озере (1995 г.) показали, что максимальное количество водорослей приходились на днсфотическую зону (интенсивность света менее 1 % от упавшей на поверхность воды), где они эффективно осуществляли фотосинтетическую функцию. Было выдвинуто предположение, что коэффициент b (уравнение 1) для планктонных водорослей, концентрирующихся вдисфотической зоне, не является постоянной величиной, а зависит от величины ФАР. Для его проверки провели полевые и лабораторные эксперименты.

Таблица 2

Результаты параллельных определений суточной первичной продукции фитопланктона (г02/м2) с помощью скляночного (шестичасовая экспозиция) и

Флуоресцентного методов на Кантатском водохранилище

Дата Стан- Скляночный метод' Флуоресцентный метод

ция интегриро- расчет по расчет по расчет по

вание урав-ю 3 урав-ю 1 урав-ю 2

21.06.89 2 3.65 2.90 3.22 2.72

22.06.89 3 1.37 0.89 2.10 1.71

11.07.89 6 3.35 3.40 3.98 4.61

11.07.89 3 3.58 4.81 4.04 4.27

25.07.89 3 9.43 5.84 15.60 22.40

09.08.89 3 7.90 11.71 12.93 6.4

10.08.89 6 15.16 16.30 18.01 15.7

25.08.89 3 12.81 23.89 13.92 11.22

26.08.89 6 2.10 3.00 2.41 2.79

07.09.89 3 4.70 4.02 4.61 5.52

13.06.90- 3 4.42 1.81 0.62 0.90

11.07.90 3 18.62 12.32 23.81 19.01

08.08.90 3 3.81 7.51 3.40 5.64

06.09.90 | 3 1.55 3.56 1.73 5.22

- скляночные эксперименты проводили в трех повторностях, в таблице приведены средние значения

На лесном озере 29.06 и 03.08.95г. параллельно измерили скорости фотосинтетического выделения кислорода водорослями скляночным и флуоресцентным методами на горизонтах, где интенсивность ФАР менее 120 кДж/м2 за сутки (меньше 1 % падающей на поверхность воды). В лабораторных экспериментах использовали искусственные микроэкосистемы (МЭС), разработанные сотрудниками Института Биофизики СО РАН (Гладышев и др., 1991), где моделировали условии низкой интенсивности ФАР (30-35 кДж/м2 за сутки),

фотопериод, температуру нижних слоев воды. В МЗСы заливали по 10 л воды с нижних горизонтов лесного озера. Расчеты скорости фотосинтетического выделения кислорода в МЭСах параллельно провели скляночным, балансовым и флуоресцентным методами.

В результате обработки полученных полевых и лабораторных данных установили зависимость коэффициента Ь от интенсивности ФАР. Уравнение связи имело вид:

Л> = -0.0011 х 1п(Г) » 0.0050 (4)

где I - интенсивность ФАР в интервале от 5 до 120 кДж/м2 в сутки.

Таким образом, для фитопланктона, лесного озера отдельно рассчитали первичную продукцию водорослей фотического слоя:

£А ' Ь X 2„ X I*1 С^.т X Ь.ол/еаххтжал*е"*'3 дн (5)

и дисфотического слоя:

« Г' С„„ (Н) хД вл/Ол^^.Лт х (-0.0011 х 1пГ(Я) * О.ОСЗО! с!<; (6!

где Н, п Нг - глубина, куда достигает 120 и 5 кДж/мг в сутки соответственно.

В первой половине июня 19Э5 г. на лесном озере доля фотосимтетической продукции всдорослсй дисфотического слоя составила 50% от 1А фитопланктона фотического елок.

Ассимиляционная активность хлорофилла "а" водорослей

Важными эколого-физиологнчгскими характеристиками фушсциониросания альгоценозоз являются показатели-АЧ (ассимиляционная активность хлорофилла "а") и АЧ:(0 (удельная энергетическая эффективность хлорофилла "а"). Теоретически, исходя из особенностей организации фотосинтетического аппарата и экологической физиологии, молено ожидать, что фотссинтетическая активность хлорофилла зависит от систематического положения водорослей. Однако достоверно установить эту зависимость традиционным;: методами до сих пор не удавалось (Паутова, Номоконоса, 1994). Было выдвинуто предположен иг, что проблема мо;::ет быть решена с привлечением оперативного флуоресцентного метода. В задачу исследоьашш на К^нтатеком водохранилище и сз. Шира входило изучение дневного хода величин АЧ (под мг на весь столо ьоды), АЧ:1С н

определения их зависимости от таксономической структуры фитопланктона. Эксперименты проводили в условиях контроля вертикальной динамики фитопланктона.

Необходимо отметить, что при переходе от АЧ к АЧ:10 наблюдается стабилизация показателей при сохранении уровня относительной ошибки (табл.3 и 4). При этом, у диатомовых водорослей четко проявляется эффект фотоингиби-рования (АЧ:1„ в полуденные часы меньше, чем утром и вечером), который невозможно установить по дневному ходу АЧ. Отсутствие фотоингибирования у синезеленых водорослей, вероятно, связано с существованием "цитохромоксидаз-ного" фотосинтеза, заключающегося в существовании дополнительного канала сброса электрона на 02. Конкуренция за электрон между первой фотосистемой (ФС-!) и цнтохромоксидазой осуществляется на уровне цитохоомного комплекса Ь6Я (Гольд В., Гольд 3., 1989). В пользу последнего может указывать и то, что насыщение максимального уровня диуронзависимой флуоресценции у синсзсле-ных водорослей не наступало даже при высоких интенсивностях возбуждающего света. Обладающиеболеевысокойфоточувствитсльностьюдиатомовые водоросли, хотя и занимали придонные горизонты в полуденные часы, вероятно, не могли полностью "избегать" угнетения избыточной интенсивности света из-за малой глубины водоема. Било отмечено, что представленные данные хорошо согласуются с результатами изучения дневной динамики АЧ и АЧ:1„ в Индийском океане.

Таблица 3

Днетшая динамика ассимиляционного числа и удельной энергетической эффективности хлорофилла "а" синезеленых водорослей в период их доминирования на ГСаптатском подохраиилище в шэле-августе 1991 г. (М - среднее, т -ошибка средней)

Дата АЧ, г.ггО?/мг®хл.а»чае АЧ:1„

6 ч 10 ч 14 ч 18 ч 6 ч 10 ч . 1 4 ч 18 ч

12.07 23.07 02.03 12.0-3 0.36 7.50 6.79 0.71 0.46 2.81 1.49 0.34 О.ОЭ 3.14 4.55 1.52 2.33 6.93 13.5 2.14 4.44 5.56 5.83 3.05 9.16 3.89 6.39 6.67 7.78 10.8 10.00 9.44 7.22 6.11 1 1.11 7.50

М т 1.03 5.10 0.59 1.20 0.87 2.12 3.57 0.63 7.15 7.85 8.33 6.67 1.35 2.01 2.22 1.31 "

1„ - интенсивность ©Л? на поверхности (МД>::/г.г).

Таблица 4

Дневная динамика ассимиляционного числа и удельной энергетической эффективности хлорофилла "а" диатомовых водорослей в период их доминирования на Кантатском водохранилище в июне - июле 1989 г. (М - среднее, т -ошибка средней)

Дата АЧ, мгОг/мг»хл.а»м2«час АЧ:!0

84 104 12 ч 14 4 184 8 ч 50 4 12 Ч 14 ч 18 ч

03.07 7.0 9.4 21.2 10.6 9.6 24.3 19.2 13.3 11.1 17.0

11.07 9.4 11.4 16.0 11.9 10.1 19.8 14.3 11.8 12.1 16.2

25.07 7.7 14.4 16.3 22.2 8.2 15.3 12.9 11.3 14.6 14.8

М 8.0 11.7 17.8 14.9 9.3 19.8 15.5 12.1 12.6 15.9

т 0.9 1.8 2.2 4.9 0.7 3.0 2.5 0.8 1.1 0.8

Таким образом, достоверно установили, что в дневной динамике показателя АЧ:1„ у диатомовых водорослей проявляется эффект фотоингибирования, а у синезеленых водорослей он отсутствует.

При оценке продуктивности водоемов в целом необходимо переходить от точечных (за час) измерений фотосинтетической активности к ее суточным показателям (т.е. от АЧ и АЧ:10 к САЧ и САЧ:1ФАР, где 1ФАР - автоматически зарегистрированный суточный приток ФАР). Расчеты САЧ и САЧ:1ФАР для фитопланктона различных водоемов, полученные на основе проведения многочисленных экспериментов, представлены в табл.5. При переходе от САЧ к САЧ:1ФАР происходит стабилизация показателей при сохранении уровня относительной ошибки. При доминировании одной из групп водорослей САЧ:1ФАР достоверно (95%) не отличается для всех водоемов, несмотря на то, что они резко различаются по своим гидрохимическим, гидрофизическим и гидробиологическим режимам.

Таким образом, по суточному показателю удельной энергетической эффективности хлорофилла "а" диатомовые имеют преимущество по сравнению с синезелеными водорослями, так как более "экономично" используют свет. Величины САЧ:1ФАР для синезеленых и диатомовых водорослей (табл.5), рекомендованы для использования в расчетном алгоритме 2 для оперативной оценки суточной продуктивности фитопланктона больших акваторий.

Таблица 5

Показатели фотосиктетической активности (САЧ, САЧ:1ФАР) диатомовых I синезеленых водорослей в периоды их доминирования на различных водоемах

Водоем Год Кол-во суточных экспериментов САЧ мг02/ мг хл САЧ:ХФАР мг02/ мт хл МДж

Доминирование диатомовых

Красноярское водохранилище 19821985 9 8.7±1.8 14.2 ±2.7

Район коралловых рифов Сейшельских островов (Индийский океан) 19891990 11 115.1 ±11.4 17.8 ±1.5

Кантатское водохранилище 1989 4 143.5 ± 38.5 1 5.5 ±1.8

Доминирование синезеленых

Оз. Шира 1989 4 1 8.5 ± 5.2 4.6±0.9

Кантатское водохранилище 1991 4 53.8 ± 18.8 7.9+1.6

глава 5. суточная динамика вертикального распределения флуоресцентных показателей планктонных водорослей

Для выяснения особенностей вертикальной суточной динамики синезеленых I диатомовых водорослей в солнечную и пасмурную погоду провели суточные жсперименты в заливе Кантегирская Сосновка Саянского водохранилища (К = 16 .1, Б = 3±0.3 м, Тпов = 20°С, ТДН(,= 16°С) и Кантатском водохранилище (Н = 5 м, > = 0.7 ±0.1 м, Ткао = 22°С, ТД„„ = 17°С). На нервом водоеме пробы отбирали «чнная с 10 ч утра в течении суток через каждые 3 часа "с 8 шризонтов, на >торог! - через ка>::дые 4 часа с 7 горизонтов. Половину экспериментов на каждом»

из водоемов провели в пасмурную погоду (1ф,р на поверхности меньше 3.6 МДж/м2), а вторую половину - в солнечную (1ф,р> 7.2 МДж/м2). Для математической обработки результатов суточных экспериментов был выбран двухфакторный дисперсионный анализ неравномерного комплекса. Разное время суток представили как градацию фактрра А, а горизонты отбора проб по вертикали - как градацию фактора В. Варианты по градациям - См з и ДФд/Флд||урП11.

Для удобства представления данных при выделении интересующей нас формы кривой распределения и элиминирования сезонных и прочих различий для каждого из анализируемых показателей, провели нормирование величии по максимальному в столбе воды (Гладышев, 1990). Все средние за сутки значения интегрального содержания хлорофилла "а" и биомассы под 1 м2 оказались статистически достоверными (табл, 6).

Среднее нормированное вертикальное распределение Сш и ДФл/Флдиурон диатомовых и синезеленых водорослей в пасмурную и солнечную погоду представили на рис.2 и 3.

Таблица 6

Средние значения (М) биомассы (мг/м3) и концентрации хлорофилла "а" (С^.мг/м2) фитопланктона в столбе воды за сутки, их коэффициенты вариации (С,%) и значения г- критерия Стьюдента

Водоем Дата Биомасса с

м С 1 м С Т

Залив Канте- 11-12.07.86 18741 32 3.1 560 11 9.1

гирская 22-23.07.86 52440 42 2.4 262 13 7.7

Сосновка 7.7

26-27.07.86 45786 15 6.7 758 13

Саянского

водохранили- 30-31.07.88 6439 18 5.6 52 10 10.0

ща 02-03.08.88 6603 18 5.6 80 33 3.0

06-07.08.88 11967 27 3.7 94 18 5.6

Кантатское 12-13.07.91 44449 15 6.7 245 5 20.0

водохранили- 23-24.07.91 - - - 114 6 16.7

ще 02-03.08.91 14813 18 5.2 88 7 14.3

12-13.08.91 - - 209 5 20.0

01 2 3 4 5 7 8 10 13 Глубинам

Полдень

16

С 1 234 57 810 13

Глубина,.*

Вечез

01 2 3 4 5 7 8 10 13 Глубннз.м

Ночь

01 234573 10 13 Глубина,м

.2. Среднее нормированное (% от шкальное распределение Схл.а (-;—; орослей при их домннированки на :пз) и солнечную (справа) погоду.

100 90 80 70 60 50 401 30:

0 1

2 3 4 5 7 8 10 13 16

Глубинп,м

Полдень

1 2 3 4 5 7 В 10 13 16 Глубина, м

Вечер

2 3 4 5 7 8 10 13 16 Г.~[у5нни,м

Ночь

11 2 3 4 5 7 8 10 13 16 Глубин а.м

максимального в столбе води) суточное «-) НлФл/Фл.диурон (н—¡-) диатомовых Саянском водохранилище и пасмурную

16

Полдень

1 2 3

Глубин а, м

Ввмер

Ночь

1 2 3 4 ЛубИНЗМ

Погдом,

эечэр

Ночь

1 2 3 Глубинам

1 2 3

Глубина,м

Рис. 3. Среднее нормированное (% от максимального в столбе воды) суточное псртикалыюс распределение Схл.а ( ■ ■) и Фл/Флдкурон (н—к) синезеленых иидорослсй при их доминировании на Кантатском водохранилище в пасмурную (слева) и солнечную (справа) погоду.

Таблица 7

Результаты дисперсионного анализа комплексов нормированных флуоресцентных данных для диатомовых водорослей Саянского водохранилища и синезеле-пых водорослей Кангатского водохранилища (верхний ряд - пасмурная погода, нижний ряд - солнечная погода)

Показатели п\ Р„2В 12м ^rjZAB Pq2 Aß

Диатомовые водоросли

р дизт. 53.5 14.4 <0.001 12.2 1.1 >0.05

33.3 6.2 <0.01 10.8 0.7 >0.05

ДФл/Фллиуто„ 31.6 15.0 <0.001 29.4 4.7 <0.01

14.5 8.9 <0.01 27.8 5.7 <0.01

Синезеленыс водоросли

р синел. 90.0 122.8 <0.001 2.2 1.0 >0.05

99.0 105.2 <0.001 1.9 0.8 >0.05

ДФл/Фл 64.8 31.9 <0.001 11.1 1.9 >0.05

51.8 24.1 <0.001 14.3 2.2 >0.05

Результаты вычисления неравномерных нормированных комплексов по вертикальному распределению в течение суток С„а и ДФл/Флднурон диатомовых и синезелеиых водорослей представили в табл.7. При любой погоде имело место стратифицированное вертикальное распределение флуоресцентных показателей диатомовых водорослей Саянского водохранилища, при этом в пасмурную погоду оно сильнее, чем в солнечную. Хотя из рис.2 и прослеживается тенденция к закономерности в изменении кривой вертикального распределения Смал,гатпм и ДФл/Фл„иур0„ в течение суток при любой погоде, статистически достоверно она определена только для показателя фотосннтетической активности (табл.7). Было дано следующее объяснение полученному результату. Реализация механизма "отклика" на смену дня и ночи у диатомовых водорослей зависит от конкретных видов, составляющих доминирующий комплекс. В нашем случае, это были в основном представители с пассивным механизмом вертикальной миграции (Asterionella formosa Hass, Flagilaria crotonensis Kitt, и др.). Гетерогенность в механизмах передвимхнии и биотопических особенностях отдельных видов, вероятно, и не позволило достоверно установить закономерность в вертикальных

перемещениях для представителей отпела Вас111агюрЬу1а. В тоже время, независимо оттого, совершают вертикальные перемещения отдельные виды диатомей или нет, для отдела в целом характерно "откликаться" изменением активности фотосинтетического аппарата на суточные циклы дня и ночи.

Синезелсные водоросли в условиях мелководного Кантатского водохранилища концентрировались в верхних слоях воды при любой погоде (рис.3). Достоверных периодических изменений положения максимума С^д"*"' и Дфл/флдаур,,,, по глубинам в течение суток не обнаружено (табл.7). Полученные результаты объяснили отсутствием фотоингибирования фотосингетического ап парата синезеленых водорослей и ограниченностью в механизмах вертикальных перемещений.

Таким образом, на основе изучения флуоресцентных показателей, определили специфику в характере суточного вертикального распределения синезеленых и диатомовых водорослей.

На озере Шира (Н = 20 м, Б = 3 ± 0.2 м, Тпо, = 23°С, Т/(НО = 0.3 ° С) провели два суточных эксперимент. Пробы отбирали начиная с 10 ч утра в течении суток через каждые 4 часа с 11 -та горизонтов. Термоклин находился на глубине 10 м. Все средние за сутки значения интегрального содержания хлорофилла "а" и биомассы под м2 оказались статистически достоверными: первый эксперимент (среднее , = 56 мг, С, = 14%; средняя В = 3919 мг, С, = 14%), второй эксперимент (0^3=125 мг. С, = 24%; В = 5819 мг, С„ = 32%); г>1., при степени свободы v = 6. Пик кривой вертикального распределения Сыа в течение суток всегда приходился на 12 м или 14 м (рис.4). Доминировали 1_упдЫа сопюпа Ад. и ОвсШагопа эр.. Клетки этих водорослей обладали высокой потенциальной фотосинтетической активностью (АФл/Фл^^,, варьировал от 0.33 до 0.59), и по сравнению с водорослями верхнего слоя воды, более высоким содержанием хлорофилла "а" в единице биомассы. Вероятно, отсутствие активных механизмов вертикальных перемещений не позволяли I. сопюпа и ОэсПЫопа Бр. преодолевать термоклин и "обрекали" их на длительное существование в условиях светового голодания (интенсивность ФАР менее 50 кДж/мг в сутки). Таким образом, на основе использования измерений флуоресценции получили достоверное подтверждение длительного присутствия 1.упдЫа сотопа Ад. и ОзсШаюпа ер. в дисфотическом слое оз. Шира без вертикальных суточных перемещений в столбе воды. ^

Глубтня^4

76 чаоов

Глубянмд

4 часа

Глубмижл

Глубив гщ

22 часа

ГлуЪшмм

ЮЧкОО.

юо

90

во // \

70 // V

•0 / / V

* 50 / / \\

40 / / —-

30

го —^ /

10 __.—.---- V

0 0 2 4 6 в 10 12 14 16 18 19 20

Гл/ба.м«

Рис.4. Нормированное {% от максимального в столбе волы) вертикальное определение С^ (флуоресцентный метод) в различное время суток на

тральном участке озера Шира 20.08-21.08.88г. (-1-Н и

).08-11.08.89г. {-в-»-I-

выводы

1. На основе изучения показателей энергетической эффективности хлорофилла "а" водорослей (АЧ:10 и САЧ:£ФАР) в условиях различных водоемов доказана их зависимость от таксономического состава фитопланктона. При доминировании диатомовых водорослей, оба показателя достоверно выше, чем при доминировании синезеленых водорослей. В дневной динамике показателя АЧ:10 (под м2) у диатомовых водорослей проявляется эффект фотоингибирования, у синезеленых водорослей он отсутствует. Полученные величины САЧ:1ФАР для диатомовых и синезеленых водорослей рекомендуется использовать в расчетном уравнении для оперативной оценки продуктивности фитопланктона:

ЕЛ = САЧ' ы С' х Г***1 СЯЧ" х С* х г'«1 САЧ°-' -с. («л

1ЖР ' Тлдр ° 'ГСАР '

2. Апробированы новые расчетные методы определения интегральной первичной продукции, основанные на измерении флуоресцентных характеристик водорослей. В отличие от известных, предлагаемые методы позволяют учитывать гетерогенность таксономического состава, физиологического состояния и характера вертикального распределения в столбе воды планктонных водорослей.

3. На основе изучения флуоресцентных показателей получили информацию о вертикальной суточной динамике планктонных водорослей и их физиологической активности. Доказано, что водоросли этих таксономических групп имеют специфику в характере суточного вертикального распределения. Синезеленые водоросли в условиях мелководного Кантатского водохранилища концентрируются в верхних слоях воды и не изменяют своего положения или фотосинтетической активности в ответ на изменения интенсивности ФАР в течение суток. Для диатомовых водорослей в условиях глубоководного Саянского водохранилища характерна высокая фоточувотвительность, проявляющаяся в закономерном изменении фотосинтетической активности в течение суток при любой погоде.

4. На основе регистрации флуоресцентных характеристик планктонных водорослей глубоководного озера Шира, обнаружено длительное по времени присутствие синезеленых водорослей (ЬупдЫа сопюпа, ОэсШаЮпа Бр) в дисфсггической зоне. Для данных водорослей были характерны следующие физиологическиеособенности: отсутствие вертикальных суточных перемещений; более высокое, по сравнению с водорюслями фотической зоны, содержание

хлорофилла "а" на единицу биомассы клетки; высокая потенциальная активность фотосинтетического аппарата.

5. С помощью комплекса флуоресцентных показателей (флуоресценция хлорофилла, вариабельная флуоресценция, флуоресценция фона), полученных на основе ФСДФ, можно оперативно выделять фазы развития фитопланктона внутренних водоемов. Для Кантатского водохранилища выделено четыре фазы развития фитопланктона в течение вегетационного сезона |до "цветения" диатомовых, "цветение" диатомовых, "цветение" синезеленых, после "цветения" еипезеленых).

6. Проведенные исследования показали невозможность замены процедур!.! добавки гербицидов, используемых в качестве ингибитора электронно-транспортной цепи, на экологически безопасное ультразвуковое воздействие в рамках флуоресцентной системы диагностики фитопланктона. При воздействии ультразвуком на клетки водорослей, наряду с блокированием фотосинтеза идет процесс общего разрушения фотосинтетического аппарата. Следовательно, нельзя оценить величину вариабельной флуоресценции, связанную с ингибированием фотосинтеза.

публикации по теме диссертации

1. Колмаков В.И., Гаевский H.A., Гольд В.М., Дубовская О.П. Использование флуоресцентного метода для изучения продуктивности фитопланктона (нг примере Кантатского водохранилища)// Гидробиол. журн.- 1993.- 29, N„ 5. С. 88-95.

2. Колмаков В.И., Гаевский H.A., Гольд В.М., ДоровскихС.В., Коркин А.И. Изучение фитопланктона озера Шира.- Красноярский гос.ун-т. Красноярск, 1993,- 20 с. - Рук. деп. в ВИНИТИ, N0 2669-В93.

3. Колмаков В.И., Гаевский H.A., Гольд В.М. Возможность замены гербицидов ультразвуковым облучением при флуоресцентном определении концентрации хлорофилла "а" водорослей.- Красноярский гос.ун-т. Крарноярск, 1993.- ß е.- Рук. деп. в ВИНИТИ, N0 1016-В93.

4. Колмаков В.И., Гаевский H.A., Гольд В.М. Опыт определения некоторые продукционных характеристик фитопланктона Кантатского водохранилища с помощью флуоресцентного метода.- Красноярский гос. ун-т. Красноярск.

1993,- 9 е.- Рукопись деп. в ВИНИТИ, Nu 1015-Bs:.

5. Колмаков В.И., Коркин А.И., Гаевский H.A. Фитопланктон озера Шира в местах локализации антропогенного загрязнения // Мат. докл. конф. "Экология и общественное здоровье населения. Региональная экология", Новокузнецк,

1994, СО РАМН: 1994,- С.З&

6. Гольд В.М., Гаевский H.A., Попельницкий В.А., Шатров И.10., Колмакои В.И. Флуоресцентный анализтаксономическихифункциональныххарактерист!п: фитопланктона Рыбинского водохранилища,- Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 1 994,- 8 е.- Рук. деп. в ВИНИТИ, No 2548-BS4.

7. Колмаков В. И., Гаевский H.A. Изучение физиологических характеристик синезеленых водорослей озера Шира и Кантатского водохранилища (Красноярский край) //Экология и охрана окружающей среды: Тез. докл. 2-й Международной научно-практической конференции (12-15 сентября 1 995 г.), часть 1, Пермь,

1995,- С.50.'

8. Гольд В.М., Гаевский H.A., Белоног Н.П., Попельницкий В.А., Колмаков В.И., Шапошников A.B., Ануфриева Т.Н. Перспективы использования флуоресцентной системы диагностики как основы мониторинга водных экосистем// Экологическое.соетояние и природоохранные проблемы Красноярско-

о края: Материалы подг. конф. ко Всероссийскому съезду по охране природы 30.01-1.02.95), Красноярск, 1995.- C.81-S2.

9. Гольд В.М., Гаевский H.A., Гехман A.A., Попельницкий В.А., Колмаков 5. И. Флуоресцентная диагностическая система для измерений состояния з ито план кто на // Биоэкология: Тез. докл. межд, конф. "Фундаментальные и [ршсладные проблемы охраны окружающей среды - ПООС-95". 12-16 сентября 995.- Томск,- С.23-24.

10. Гольд В.М., Шатров И.Ю., Попельницкий В.А., Колмаков В.И., "аевский H.A. Ассимиляционная активность хлорофилла (теоретические и четодические аспекты)// Биология внутренних вод,- 1996.- N0 1,- С.

Подписано к печати 19.04.96 Объем ¿<ЙсиТираж 100 экз. Заказ [М„

Типография Красноярского государственного университета 660041, Красноярск, пр.Свободный 79