Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка контактных люминесцентных методов и средств изучения полей хлорофилла в водной среде

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Разработка контактных люминесцентных методов и средств изучения полей хлорофилла в водной среде"

. АКАДЕМИЯ: НАУК СССР Институт океанологии им.П.П.Йириова

На правах рукописи

еавыкин анатолий александрович удк 581.526.325.08

РАЗРАБОТКА КОНТАКТНЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МЕТОДОВ И

средств изучения полб: хлорофилла, в водной среде

11.00.06 - океанология

Автореферат

диссертации на соискание ученоЯ технических .наук

Москва, 1590

степени кандидата

Работа выполнена в Полярном научно-исследовательском иксти -туте морсхого рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М.Книповича (ПИНРО) Иинрцбхоза СССР и в Научно-производственном объединении "Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (НПО "ВШЙТРИ") Госстандарта ОССР.

НАУЧНЫЙ'РУКОВОДИТЕЛЬ: Кандидат физико-математических наук

А.И.Лапшин

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТУ: доктор физико-математических наук , Г.С.Карабашев,

кандидат технических наук А.Л.Светлах.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Институт физики АН БССР

Защита состоится "09" 1990 года в чО часов на за-

седании Специализированного, совета К 002.86,02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Институте океанологии им. П.П.Иириова АН СССР, по адресу: 117218, Москва, ул.Красикова, 23. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океако -логии им. П.П.Ширшова АН СССР У .

Автореферат разослан "М" РКЯ^ёШ ДЭ'Х) г.

Ученый секретарь

Специализировасчого совета , У ' Панфилова.С.Г.

- I -

общая характеристика рабом

Актуальность. Содержание хлорофилла в водкой среде, как одна из вага ей них гидробиологических характеристик, определяется различными контактнымии дистанционными методами. Измерение концентрации фотосинтетических пигментов в водах морей, океанов и внутренних водоемов контактными методами диктуется нербходи -мостьо:

- изучать особенности пространственно-временного распределения и структуры фитопланктонных сообществ;

- исследовать биолродуктивность водных экосистем;

- выполнять калибровку и интерпретацио результатов дист&-ционных методов изучения водной среды;

- проводить мониторинг водной среды на глубину значительно большув, чем это позволяют делать дистанционные методы;

- использовать данные о распределении, концентрации хлорэ -филла непосредственно для целей рыбного промысла.

Отсутствие необходимых технических средств, в частности, флуорикетров с проточными/наливными кюветами, несовершенство методических приемов измерения концентрации хлорофиллов флуоримет-рическими методами сдерживали получение достаточного объема информации о концентрации хлорофилла фитопланктона, как важном индикаторе первичных продукционных процессов в водной среде.

Работа выполнялась по плану НИР Полярного НИИ морского рыбного хозяйства и океанографии /11ИНР0/ Минрыбхоза СССР по темам: . "Создание плавучего научного центра на базе НПС "Артемида" Д983-1387, Ь ГР 01.85.0015199/; "Разработка'погружных фотофлуо-риметра и хемилгшинографа" /1586-1989, £ ГР 01.8б.0037104/; "Разработать флуориметр "Кванг-7" и методику выполнения измерений" (НИОКР "Квант") Д 988-1989 гг., » ГР 01.£8.0057540 '/;

а также по плану НИР НПО "Всесоюзный КИИ <1«зико-технических и радиотехнических измерений" (НПО "ВНИИФТРИ")Госстандарта СССР по темам 07.03.15.03 и 07.03.15.23 НИР "¿отоника" (1953-1989 гг., »» ГР 01.84.0011549 и 01.87.0046931). ' "

Цель работы заклочалась в разработке контактных ломинесцент-ных методов и технических средств, предназначенных для измерений в судовых условиях концентрации фотосинтетических пигментов э волчец среде.

Ка различных этапах работы ставились следующие задачи:

I). Оценить возможности и погрешности суаесгвувиих контакт-

ных методов измерения концентрации хлорофиллов в водной среде. •

2). Усовершенствовать контактные люминесцентные методы измерения содержания хлорофилла фитопланктона и подготовить их it широкому применению в судовых условиях.

3). Создать судовой, фдуоримегр с паточными /наливиими кюветами и флуориметрический комплекс, вкличаощий также систему прокачки воды с приповерхностного горизонта.

4). Исследовать, используя разработанные метода и технические средства, пространственно-временную изменчивость полей хлорофилла фитопланктона в отдельных районах Баренцева моря и во внутренних водоемах.

Научная новизна. 3 результате выполненного исследования получены результаты, имеющие научную новизну:

I. Разработан трехволновой флуориметричеркии метод экстракционного определения концентрации хлорофилла в воде. Впервые для подобного метода дано обоснование выбора условий возбуждения и perno грации интенсивности флуоресценции.

2« Разработан новый отечественный серийный двухканальныЯ флуорииегр "Кванг-7" с проточными /наливными кюветами, имеющий, два независимых канала возбуждения и регистрации флуоресценции, отличающийся от существующих аналогов рядом новых технических решений.

3. Разработан судовой флуорииетрический. комплекс, вкляча-ющий оригинальную систему прокачки, флуоршетр и ЭВМ. Впервые для подобных систем прокачки предложены специальные устройства опре- , деления, параметров системы прокачки.

¡i. ¿первые показано, что методическая погрешость измерения концентрации хлорофилла в том число определяется выбором .единиц измерения, концентрации - используются молярные или масоо- . вые единицы измерения.

5. Получены новые денные о пространственно-временно« .изменчивости полей концентрации хлорофилла фитопланктона в воде и их особенностях на полигонах в Баренцевом море и на Онежском озере.

Практичеокая ценность -работы: ■

I. Рззультаты, полученные .в работе, могут быть использованы для проведения метрологической аттестации методики выполнения , иякорония шп .ентрации хлорофилла в воде на основе экстракционного фдуоримегрического метода.

- 3 ~

'¿. На основе результатов, полученных в диссертационной работе, пожег бить в дальнейшем разработка безэкстракционная флуори-мегрическая методика измерения концентрации хлорофилла в воде.

3. Разработанные методы и созданные технические средства . могут уже сейчас использоваться для проведения кассового кертиро-вания горизонтальной пространственно-временной изменчивости полей хлорофилла в водах морей, океанов и внутренних водоемов, для калибровки дистанционных измерений.

4. Судовой флуориметркческий комплекс, включающий систему ■прокачки, флуорикетр и 3ÜM, испытанный и внедренный не НИС "Артемида" МВ 0105, мокет быть рекомендован для применения на других научно-исследовательских судах.

5. Для технического обеспечения указанных пунктов подготовлен серийный выпуск двухканальних флуориметров g проточными /наливными кюветами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ■ втором и третьем съездах советских океанологов (Ялта, 1982; Ленинград, 1987), Всесоюзном совещании "Исследования и рациональное использование оиоресурсов дальневосточных и севершх морей СССР и перспективы создания технических средств для освоения неиспользуемых оиоресурсов открытого океана" (Владивосток, 1985) ; Всесоюзной конференции "Экология и биологическая продуктивность Баренцева моря" (Мурманск, Ii>86) ; Всесоюзной иколе "Технические средства и методы исследования Мирового океана" (Гелеидкик, 1987, I9tí9) ; Ьсесоюзном семинаре "Океанологические фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели" (Москва, 1989) ; конференции "Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований" (Севастополь, IS89) ; на научных семинарах. Мурман -ского морского биологического института КНЦ АН СССР, Института океанологии ЛК СССР, НПО "МИЖТРИ" Госстандарта СССР; ПИНРО Мик-рибхозе СССР.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Структура и объем работы, диссертация изложена на 1')5 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 36 таблиц. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 119 наименовании, из них bb на иностранных языках.-

- b _

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теми, указываются трудностиt использования существовавших контактных методов измерения. концентрации. хлорофилла в годе, определяется цель и задачи исследования, показана научная новизна работы, формулируются ос-, новные положения, выносимые на защиту.

3 первой, главе на основе литературных данных дается краткий обзор к характеристика контактных методов измерения концентрации хлорофиллов (КХ) фитопланктона, в том числе спектрофотомет-рических методов. Приводится классификация контактных методов.

Сравнивайте* различные экстракционные флуо-р и метрические методы. На основе анализа данных, опубликованных Лорензеком и Джеффри (1580), делается вывод о том, что концентрация хлорофиллов вис является наиболее важным фактором, определяющим погрешности измерения концентрации хлорофилла а и феофитина а методом Холм-Хансена.

А/авизируются особенности безэкстракционного © л у о р и м е т р и че с к о г о метода измерения КХ по интенсивности аатизной флуоресценции, хлорофилла (ИНФХ) фитопланктона. Эти особенности обусловлены тем, что измеряется интенсивность флуоресценции не раствора пигментов, а взвеси милых клеток фитопланктона:

X). При измерении ИНФХ необходимо учитывать флуоресценцию, водной, системы, в которой взвевенн клетки фитопланктона.

2.). Дисперсность флуорзсцируощих частиц требует выбора соответствующего режима измерения ИН5Х [3].

3). Омовение ИНФХ/КХ сильно зависит от интенсивности вкеш- . ' него (астрономического) светового облучения, при котором нахо -

дятся и находились перед измерением клетки фитопланктона. :

4). Видовой состав клеток фитопланктона, степень их мине ¡ рального питания, другие подобные фактор! также оказывает влия-j ние на огновекие ШЙ'х/КХ.

Первые тр1 фактора (растворенное органическое вещество,'. дисперсность флуоресцирующих частиц, внешняя освещенность флуори-' истрируеиого объема) обязательны для учета в методике выполнения измерения ЮС по ИНФХ,- . ,. , . ,

Дается г&кхе краткая характеристика 'принци- . гаально коздх люминесцентных .методов

♦

измерения КХ в воде, предложенных нами в соавторстве ~ безэкстракционного флуориметрического метода, в котором используется ультразвуковое воздействие на клетки фитопланктона для стабилизации отношения ИНФХ/КХ [ 4], и хемилюмннесцентного метода, когда по хемилюминесценции. активного, перекнсного кислорода, выделяемого клетками фитопланктона, определяется КС в воде [ 2, 7 ] .

Во второй главе рассматривается вопрос о выборе единиц измерения концентрации хлорофиллов при гидробиологических исследованиях. Известно, что в оксграк -тах фото синтетических пигментов, кроме хлорофилла а (хл а) и феофитина д (фео а),часто присутствуют хлорофиллид а (хлд а), спектрально неотличимый от хлорофилла а, л феофорбид а,спектрально неотличаювдйся от феофитина а С Wasaund , 1984). В основу анализа, представленного в глазе 2, положены данные, опубликованные Лорензен ом и Дкеффри Сьогепгец f Jeffrey, I960), Ими было пвоведе— но сравнение нескольких методов определения хлорофиллов при измерении 20 проб с различной известной концентрацией чистых пигментов и их смесей. Результаты измерения представлены в работе 1ю-рензена и Дмеффри в единицах массовой концентрации, то есть так, как это и делается в подавляющем числе публикаций, в которых приводятся данные о концентрации хлорофиллов в водной среде.

Известно (borenzen, Dotos , IS86), что для хл а и хлд к значения молярных коэффкциентов поглощения в 90-процентном водном ацетоне одинаковы (780СО л/(моль-см), а значения удельных коэффициентов гоглощения - различны (87,7 и 128 л/(г-см ), соответственной Аналогичная картина и для пары фео а - феод а. Поэтому при измерении спектрофотометрическим методом пробы, содеркаией чистый хлд а (действительные значения концентрации хлд а равны 1,264 мкг/мл или, иначе, 2,055 нмоль/мл; проба № 16 ), получим, что измеренные значения концентрации хл а равны 1,840 мкг/мл или 2,059 нмоль/мл, хотя действительная кониентрация "'¿того пигмента равна нулю. Никакую реальность число 1,840 мкг/мл не отражает -это не концентрация хл а и не концентрация хлд а. Можно такке сказать, что погрешность измерения содержания вещества в массовых единицах концентрации составляет в данном случае 45,6%. С точностью до нескольких десятых процента эта погрешность объясняется тем, что в пробе содержится хлд а, каждая молекула которого спектрально неотличима в видимом части спектра от молекулы хл а, а метод и его уравнения (формулы Дкеффри-Хамфри,модифицированные формулы Лорензена) "настроены" на хл а,каждая молекула

которого на 45,3? массивнее молекулы улд а. Поэтому не учитывать, бесфитольные производные при флуоримстраческих и спектрофотокет-ркческих измерениях, когда не проведено хроматографическое разделение пигментов, в общем случае недопустимо, гак как возникает дополнительная методическая погрекность. Используя молярные единицы, сразу получаем результаты измерен!® как суммарное количество молекул хл а и хдд а (или, соответственно, фео а и феод а) в единице объема.

Для результатов измерений, опубликованных Лорензеном и Джеф-фри(Ьогепгеп, Jeffrey,I960), подробно анализируются погрешности измерений, связанные с выбором единиц концентрации пигментов. .

На основании проведенного анализа нами сделаны выводы о том, что при использовании, традиционных слектрофотометрических и флуо-ршетрических экстракционных методов целесообразнее конечные концентрации пигментов представлять в единицах молярной., а не массовой кс;;цек грации. Часто кездо использовать обе Формы единиц измерения- имея при этом з виду, что молярная концентрация строго отражает действительные значения концентрации, а массовая концентрация соответствует действительным с точностью до постоянного множителя, отличного от единицы. Кроме того, использование единиц массовой концентрации фотос.интетических пигментов может привести к больиим погрешностям в ряде случаев, когда сравниваться данные рутинных анализов С разделение пигментов не проводится) и результаты анализов, где хлорофиллы и хлорофиллиды определяются раздельно (например, хроматографическими методами). При • таком сравнении обязательно'следует использовать единицы молярной концентрации пигментов. ' .

В третьей главе подробно представлены результаты анализа и разработки экстракционных Флуоримегричеоких методов - одновол-новых и многоволновых.

Од поводковые методы. Нами была сделана , попытка улучшить экстракционный флуориметрический метод Холм-Хансена путем замены широкополосных светофильтров на интерференционные. Проверка сделана на пробах, собранных в августе 1983г. на полигоне в центрально/ части Баренцева моря [I'll. При измерении экстракционным флуориметрическим методом использовались интерференционное светофильтры, максимумы пропускания которых соответствовали полосам поглощения и флуоресценции хл а. Измерения выполнялись'на комплексе: флуорим^тр ."Квант"- микрокалькулятор "Злехтроника-йКь'ч" ['3]. Аля этих ;:.е экстрактов проводилось

измерение концентрации хл а, в, с и фео а спектрофютометрическим методом (формулы Джеффри-Хамфри и модифицированные формула Ло-рензенвХ §луоримегр "Кв ант" бкл проградуирован по раствором хромо-тографически чистого хл а.

Анализ полученных результатов показал, что концентрация хл а вполне надежно определяется одновол.човым экстракционным флуориметрическим методом. Было также проведено сравнение двух гра дуй ров очных уравнений "концентрация хл es - разность интенсив-нос той флуоресценции пробы до и после ее подкисления". Расчет выполнялся методом наименьших квадратов. Одно уравнение было рассчитано на пробах хроматографически чистого хл а. Второе - на реальных пробах. Оказалось, что с учетом погрешностей определения градуировочных коэффициентов эти уравнения статистически не различаются между собой. На этом основании сделан вывод о том [14], что градуировку флуориметра по хл а мокно выполнять и с использованием реальных проб, а не только чистого хл а, причем эти граду-ировочные уравнения совпадают между собой.

Показано также, что в методе Холм-Хансена и в одноволновом-методе с применением интерференционных светофильтров из-за влияния хл в и хл с на измерение концентрации фео а погрешность ее измерения такова, что концентрация фео с фактически не почет быть измерена этими методами. Б целом, использование интерференционных светофильтров не улучшает метод Холм-Хансена [14] .

Многоволновые методы. Если требуется измерять концентрацию не только хл а, но к других пигментов, то необходимо использовать один из многоволновых методов (Loftus, Carpenter,'1971; Boto, Bunt, 1978). Анализ всей совокупности данных о спектрах поглощения л люминесценция спорофиллов а, в, с и их феофитинов в 90-процентном водном ацетоне позволил нам предложить новый многоволковой (трехволновоя) флу^риметрическии метод измерения концентрации пигментов в растворах [ 17] , строго обосновав выбор положения полос возбуждения и регистрации флуоресценции. 3 предложенных ранее методах ( Loftus, Carpenter, IS7I; Boto, Bunt, IS78) обоснование-выбора полос возбуждения и регистрации практически отсутствовало.

Сущность предложенного трехволно-вого метода [17] состоит в следующем. В 90-процентном водном ацетоне приготавливают экстракт пигментов, измеряют в красной части спектра интенсивность флуоресценции,

- Б -

возбуждаемой в синей части спектра. Повторю измеряют интенсив-' , кость флуоресценции'после подкисления пробы соляной кислотой. Измерения, проводят трижды до .подкисления исследуемого раствора при различных условиях возбуждениям и регистрации и трижды, после подкисления при тех же условиях возбуждения и регистрации. Первый, раз при измерении преимущественно пары хл а - феэ а длина волны максимума возбуждения устанавливается в диапазоне 430440 ни, соответствующая ей длина волны максимума регистрации интенсивности флуоресценции-в диапазоне 670-676 нм, второй раз при измерении; преимущественно пары хл в - фео в соответственно в диапазонах 460-465 нм и 653-659 нм, третий раз при измерении преимущественно пары хл с - фео с соответственно в диапазонах 444-448 км и 636-640 нм. Ширина, полос выбирается не более 12 нм.

Приведены результаты градуировки спектрофлуориметра БЬН - 4300 и проверки метода на растворах чистых пигментов и реальных пробах.

Оценки влияния хлорофиллов в и с на результаты измерения концентрации хлорофилла а и феофити-ка а в различных флуориметрических. методах приведены в таблице I.

Таким образом, с учетом изложенного в гл.1 и 3, контактные; методы, основанные на использовании "быстрой" флуоресценции (как экстракционные, так и безэксгракционные) вполне могут быть рекомендованы для измерения концентрации хлорофилла а водной, среде. При таком выборе методов соотношение между количеством измерений, заполняемых различными методами, мокет быть таким, как эго тказано в табл. 2, Б целом, полученные результаты по- ' зволявг начинать работу по метрологической аттестации методики выполнения измерений концентрации хлорофилла а, основанной на окстрахииониом флуориметрическом методе Холм-Хансена, и далее -Г на трехволиовом методе. После этого можно переходить к аттестации. безэкстракционной флуоримехрической методики.

Б четвертой главе дается анализ существующих технических средств (флуоримегров и систем прокачки), необходимых для реализации безэксгрекциокного флуориметрического метода измерения концентрации хлорофилла фитопланктона в воде, когда исследуется горизонтальная изменчивость полей концентрации хлорофилла фитопланктона в во~з. Приведены результаты разработки и испытаний флуориметра "Квант-7", специальной системы прокачки и Флуорнмет-рического. комплекса, включающего систему прокачки, флуориметр и' ЭВМ.

Таблица I

Влияние хлорофиллов в и с на измерение, концентрации хлорофилла а и феофнтина а экстракционным флуориметрическим методом

Экстракционный флуориметрический метод ! i Измеряв-! Изме^я екая концептпацнп хл а или фео а, мкг/мл" Источник

кый ! пигмент ! 1 ! Присутствующий пигмент в концентрации 1мкг/мл

i хл в ! хл с

Холм-Хансен (1955)-мстод с использо -заниси пирокопо-лссннх фильтров

Одноволновой метод с поименением интё пйеоенциошшх светофильтров

Лофтус я Кприен -теб 1197П. Бото и "к? Ц97&3

хл а фео"а

хл а фео а

-0,28 + 0,89

+ 0,38

+ o;i6

(Lorenzen, Jeffrey, 198С)

хл а фео а

пигменты

-0,45 +0,10 + 3,2 +1,3 (Влияние зависит от вио ра интеоференциопных светофильтров)

Концентрации хл в и хл .определяются. КеТ влиян этих пигментов на изке

[Hi

ряемуэ концентрация хл и фео а.

О (Loftiis, ТГя Carpenter, _ 1971; Во to. a Bunt, 1978), - [17]

Бак? (Ду/В) - многоводного?. метод; тпехвплновой метод с'подкислениеи пробы (1990)

( * ) - Действительная концентрация этих пигментов равна нул>э.

В СССР до последнего времени не выпускались серийные про -мыаленные образцы флуориметров с проточными кюветами, которые могли бы быть использованы для измерения XX в судовых условиях. Настоящая работа в определенной мере способствовала ликвидации, этого.пробела в части отсутствия лабораторного флуориметра с проточными / наливными кюветами - прч н?.шен учасГли бил. разработан флуоринег.р "Квант-7" [12, 15].

Практически все зарубежные подобные флуориметры имеют един канал - одну проточную кювету. Разработанный ф л у о р и м е т р с пооточными/налиЕными кюветами "Квант-7" [ 12, 15] име ет пяд преимуществ по сравнении с известиями зарубежными аналогами -флуориметрами "Титег-Ю " (США) и " РГиогпаеЪ М 2" (Англия) :

1). Два канала для,измерения сгиопекия потоков флуоресценции-две кюветы и два измерительных тракта;

2). Канал измерения температуры анализируемой ждкости;

-10 - •

Таблица 2

Предполагаемое соотношение мекду объемами измерений, выполняемыми различными методами при рутинных измерениях концентрации ■ . хло рофилла в воде

■ Метод

Основная область использования

! Количество измерений ! методом от общего ! количества результа-!■ тов измерений КХ в ! воде,

Экстракционный.

спектрофотомег-

рический

.экстракционный. флуоримет— рический

. Беээхстракцион-ный. флуориметри-ческий.

Для наиболее ответственных измерений КХ

Для получения данных о КХ при небольшом объеме измерений(до 200 пвоб на I сотрудника в год)

Для, градуировки флуори-метров при реализации. экстракционного и безэк-стракциошшго флусримет-рических методов и для проверки градуировки

Для градуировки флуори-метра при реализации на нем безэксгракционного флуоркметрического метода

Для определения КХ в воде при рутинных анализах

Для сбора данных на больших акваториях при большом числе близко расположенных станций ,

Для получения данных о пространственно-временной изменчивости и структуре полей хлорофилла

100$ измерений, если их число в среднем не превышает ¿00 на одного сотрудника в год

25 - 200 проб в год

25 - 200 проб в год

100$ измерений, если их число в среднем не превышает 200 на одного сотрудника в год

Свыие 90? от всего объема данных о КХ

Свыше 90$ от всего объема данных с КХ

Примечание: При использовании, например, флуориметрического комплекса с системой прокачки за I час может быть получено от 60 до 600 измерений, за сутки соответственно, ст 1200 до 1гООО и т.д.

3). Более, высокую стабильность показаний при измерении ин-. теноивнооти флуоресценции.

Конструкция кюветного узла про точной кюветы обеспечивает незапотевание оптических элементов кюветного узла при температуре анализируемой жидкости не ниже минус 2°С и температуре окружающего воздуха не выше 22°С. Обработка информации осуществляется встроенным процессорм, прибор имеет интерфейс'в ранге ИН1С по ГОСТ 11.305.916-84. Наличие двух каналов позволяет одновременно с HHí'X измерять и интенсивность флуоресценции РОВ, что дает возможность получать важную дополнительную информацию при изучении полей фитопланктоне и при реализации безэкстракционной цдуориметрическии методики измерения ЮС. Выделение спектральных участков осуществляется стеклянными светофильтрами. Диапазон измерения: 0.03 4- 100. Потребляемая мощность — 55 БА, масса - 21 кг.. Разработка флуори-метра "Квант-7" выполнена в три этапа; разработка опытных образцов флуориметров "Кввнт-4" [ 6, '15], "Квант-4-IM" и "Квант-7" iE] . Оптическая схема флуориметров "Квант-4" использована и в остальных флуориметрах. Основное различив между флуориметрами "Кванг-4-IM" и "Квант-7": первый - дэухкорпусный, второй - одно-корпусныа. "Квант-7" прошел государственные приемочные испытания и начат его оерийный. выпуск Барнаульским ОКБА НПО "Химавтоматика".

В ходе лабораторных экспериментов на культурах нами была оценена чувствительность флуориметра "Квант-4-IM" по нативному хлорофиллу пресноводного и морского фитопланктона. Чувствитель -ность, соответственно, по пресноводному и морскому планктону равна 1.30 и 0,53 отн.ед./(мкг/л) или 130 и 53 делен./(мкг/л). Предельно обнаруживаемые концентрации, соответственно, оцениваются как 0,С2. и 0,06 мкг/л. "

Для измерения КХ в приповерхностном слое была разработана специальная система прокачки, обличавшаяся от существующих систем прокачки (Лила, Ханаев, ISö^riiackaa, Owen, 1982) рядом оригинальных технических решений [ö] . Система прокачки (рис.1) включает заборное устройство, установленное на кингстоне и выполненное в вице цилиндрического приемного патрубка выступающего за борт судно, насос, подающий, и отводящий трубопроводы, клапаны, -штуцера для подключения проточных ячеек аналитиче -ских приборов. Новизна системы прокачки заключается в наличии заборного патрубка, ось которого совпадает с нормалью к плос -

- IE -

10

А

Рис Л. Система непрерывного отбора води с приповерхностного горизонта, I - корпус судна; 2 - входной патрубок; 3 - кингстон; Ц - трубопровод; 5 - насос для прокачки забортной воды; 6,7ДО -вентили; 8 - флуориметр; 9 - графический регистратор; II - переходной штуцер; 12 - дозатор или инжектор.

кости его входного отверстия, а угол между стой нормалью и основной линией судна составляет 40- 90°.'Кроме того, система прокачки снабжена дополнительным огвидяиим трубопроводом, снабженным регулируввдм клапаном, соединявшим его с рьгулируоиим трубопроводом. При эксплуатации системы прокачки необходимо знать ее разрешающую способность /Т / и вречя задержки /13/. Очи определяются путем подачи импульсного дельта-сигнала на вход системы (м&сказ, Owen, 1982). Однако, в общей, случае для словдои системы про -качки, которая имеет много ответвлений к клапанов, существует зависимость Т к tj от положения клапанов. Поэтому необходимо перио--дически проводить измерения Т и i3. Предложенная конструкция системы прокачки позволяет производить такую подачу импульс-

-■13 -

ного дельта-сигнала г трубопровод системы прокачки на расстоянии 1-1,5 м от входного отверстия.патрубка. Как Это было экспериментально измерено, временные параметры системы прокачки НПС "Артемида" имеют следуюпие значения: /Ь3- порядка нескольких десятков секунд, Т- ке более 10 с. При работе с системой закачки лаб. № 7, в кото--, рой установлен флуориметр с проточными кисетами, \ 3 *= 38 0,^= 6 о, что при скорости судна в 10 узлоз соответствует пространственному разреаения около 30 м.

Стационарный судовой флуориметр и чески й к о..м п л е кс, включающий систему прокачки, флуориметр и ЗЗМ, внедрен на НПС "Артемида" MB 0105 [1б]. Комплекс использо -гался для получения данных о пространственной структуре поля хло -рофилла в Баренцевом море [ 13] и в других районах Мирового океана.

3 пятой главе дается анализ некоторых аспектов погрешности градуировки прибора при безэкстракционном флуориметрическом опре -делении КХ фитопланктона в дискретных пробах воды.

Анализ проведен на массивах экспериментальных данных, собранных в июле IS8I г. на полигоне к западу от о. Медвежий и летом IS84 г. на Онежском и Ладожском озерах. Пробы отбирались батомет -рами. ИН5Х измерялась через светофильтры KCI5, максимум возбужде -ния лежал всегда вблизи 430 нм. Полоса возбуждения флуоресценции определялась монохроматором или выбором свзтофильтров (СЗС22 и СС5). Измерялись интенсивность флуоресценции пробы без добавок С^р) и с добавками в нее циурона измерялась и флуоресценция фильтрата

(Ф^ и За ИНФХ принимались разности: - Ф^«

3 работе показано, что параметры градуировочного уравнения КХ к ^ (ИНЗХ) зависят в том числе от выбранного метода расчета уравнения. Градуировочные уравнения были рассчитаны методом Керриша и методом наименьших квадратов (МНК). На уровне значимости 10 % параметры этих уравнений значимо отличны друг от друга. Коэффициент регрессии, полученный методом Керриша, на 15-26 % меньше, чем этот же коэффициент, рассчитанный МНК [ 10].

На основе данных, собранных на полигоне у о. Медвежий, (1981 г.), анализируется влияние фона - растворенного органичеокого вещества - на градуировочное уравнение КХ (ИШХ). Анализ океанологических данных позволил выделить на полигоне две водные массы -арктическую и атлантическую. Методом Керриаа были рассчитаны коэф-

- 14 -

фициенты градуировочных уравнений Схл •= и Схл » Испо-

льзование для расчетов градуировочных уравнений значений и

меньших 50 отн.ед. (погрепность измерения более 10 % - при измерении фильтрата делается болызая ошибка), приводит к току, что для двух разных годных масс градуировочные коэффициенты оказываются значимо различными (сравнение идет по доверительным интервалам). И", наоборот, использование значений и больвих 50 отн.ед. (что соответствует в нашем случае примерно Схл> 0,5 мкг/я), дает градуи-ровочные коэффициенты, независякие от водных масс. Делается вывод, „что при расчете градуировочного уравнения С г следует учи -

тывать абсолютные значения исходных данных. Необходимо оценивать возможные систематические осибки в определении и определять граничное значение в соответствии с которым из исходных данных при расчете параметров градуировочных уравнений должны быть исклв -чены все метшие этого граничного значения. Следует также иметь в гиду, что конечные результаты измерений для малых концентраций хлорофилла могут иметь дополнительную погрешность, обусловленную погрешностью изменения фильтрата.

В шестой главе кратко изложены результаты изучения некоторых особенностей развития фитопланктона с использованием данных, по концентрации хлорофилла, полученных флуориметрическим методом.

В августе 1984 и в августе-сентябре 1985 гг. в районе поляр -ного фронта Баренцева моря бала проведена серия полигонных наблодений. Основное внимание уделялось рассмотрении влияния изменчивости глубины залегания оси пикноклина на фитопланктон, оцениваемого по концентрации хл а. Использовался бе зэкстракционниГ: флуориметричсский метод; измерения - дискретные. Получено, что[ II]: I) КХ в период биологического лета в атланти -ческой водной массе в 2,5-'( раза выпе, чем в баренцевоморской; 2) наиболее экологически значимым из рассмотренных параметров среды, влияяикх на XX в слое фотосинтеза, является глубина залегания Оси пикноклина; 3) оптимальная вертикальная протяженность биотопа Фитопланктона атлантической еодной массы в августе-сентябре лежит в диапазоне 30-35 м, тогда как фитоценоз бапенцевомгрских вод не реагирует на изменения вертикальной протяженности биотопа.

Приведены результаты съемки на Онежском озере. Использоевлся безэкстракционный

-15 -

флуориметркческий метод, измерения выполнялись на дискретных про -бах [9]. Получена картина распределения концентрации хл а в северозападной части Онежского озера, близкая к распределению этой вели-чини в реальном масштабе времени. Подтверждена перспективность использования величин среднеквацратической погревности измерений в пробе для получения представлений о качественных особенностях состава фитопланктона на акватории, прилегающей к станциям, на которых выполняются измерения. Определены также относительные значения величин флуоресценции РОВ son Онежского озера и распределение их по отдельным районам.

Исследована изменчивость поля концентрации хлорофилла в центральной части Баренцева моря в районе полярной Фронтальной зоны в мае-июне IS88 г. Измерения выполнялись непрерывно с использованием безэкстракционно-г.о флуориметрического метода [13]. Использовался флуоркметрический комплекс НПС "Артемида". Для вод различного происхождения - теплых (северная ветвь Нордкапского течения) и холодных (Медвеггенское течение) - по измерениям ИН2Х длиной 6-9 миль определен характерный . масштаб для изменчивости КХ на горизонте 5м. Он составляет 0,6 -2,5 мили. Кроме того, образования с высоким содержанием КХ в полярной фронтальной зоне вытянуты вдоль фронтальной зоны и их размер в направлении полярного фронта - до нескольких десятков миль', поперек - от нескольких миль до десятка миль [13].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что одноволновой экстракционный флуориметричес-кий метод Холм-Хансена позволяет надежно измерять концентрация хлорофилла а в ацетоновых'экстрактах, концентрация феофитина а этим методом фактически не может быть измерена. Экспериментально доказано, что использование интерференционных светофильтров вместо широкополосных стеклянных не улучшает, а наоборот уху лает этот метод. Создана основа для проведения метрологической аттестации методики выполнения измерений концентрации хлорофилла а в воде (экстракционной флуориметрической методики) и, соответственно, шир ,:ого ис -пользования отой методики в судовых условиях.

2. Предложен более совершенный трехволновой флуориметрический экстракционный метод измерения пигментов. Он является новым перс -пективкым методом измерения концентрации хлорофиллов в ацетоновых экстрактах. Этот метод позволяет определять в экстрактах концент -рации нескольких пигментов (до вести), включая феофитнны.

3. Показано, что результаты измерений концентрации фотосик -тетических пигментов целесообразнее представлять в'единицах молярной, а не массовой концентрации. Часто допустимы обе формы единиц измерения концентрации. Однако при сравнении данных о концентрации пигментов, полученных методами без хроматографирования и с хрома -тографированиеи (хлорофиллы к хлорофиллкды определяются раздельно), необходимо использовать единицы молярной концентрации пигментов и учитывать тот факт, что при рутинных методах анализа определяются XI а и фео а вместе со своими бесфитольными производными.

4. Созданы новые технические средства .судовых флуориметри -.^ческих измерений концентрации хлорофилла фитопланктона в воде. Для контактного измерения концентрации хлорофилла в непрерывном режиме разработан и внедрен в эксплуатацию судовой флуопиметричееккй комплекс, включающий оригинальную систему прокачки, флуорикетр и ЭВМ. Организованы разработка и испытания опытных образцов флуориметров "Квант-4", "Кзант-4-IM", "Квант-7" с проточными/наливными кюветами. Начат серийный выпуск флуориметров "Квант-7".

^ Исследованы уравнения связи (градуиргвочные характеристики) "интенсивность флуоресценции хлорофилла - концентрация хл а". По -казано, что при использовании различных методов расчета возможно получение различных градуировочных уравнений. Показано также, что для градуировки прибора по хлорофиллу а можно использовать и чис -тип хлорофилл а и реальные пробы. Сформулирован ряд других рекомендаций для расчета градуироЕочных уравнений "концентрация хлорофилла - интенсивность нативной флуоресценции хлорофилла".

б. Получены данные об изменчивости полей распределения хлорофилла фитопланктона на полигонах в Баренцевом море и на Онежском озере и связь этой изменчивости с некоторыми океанологическими характеристиками. Полученные результаты представляют интерес для мониторинга водной среды.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Иавыкин Л.Л. О методике экспрессного количественного' определения хлорофилла а г морском фитопланктоне // Исследования биологии, морфологии к физиологии гидробионтов. - Апатиты, 1983. - С.28-34.

2. Лапшин Д.И., Трохан A.M., Вавыкин А.А. Измерения,хемилвминесцен-ции 1д eitu в Баренцевом море // Докл. АН СССР. - 1985. - Т.281, :: I. - с. 154-157.

3. Лагыяик Л.Л., Наукcsa O.B., Черноок В.'*. Выбор режима измере -ния интенсивности флуоресценции хлорофилла in vivo дискретных проб // Исследование и рациональное использование биоресурсов дальневосточных и северных морей СССР и перспективы создения технических средств для освоения неиспользуемых биоресурсов открытого океана: Тез. докл. Всесовзи. сов. - Владивосток, 1985.-С. 138-139.

4. A.c. 119554'! СССР, !ш3 g 01 21/6'!. Способ измерения концентрации хлорофилла / Кузнецов И.Л., Лаппин А.И., Завыкин A.A. (СССР). - В 3732181/2^-25; Заявлено 19.03.8'); опубл. 23.11.65, Нал. № 43. -4 с.

5. Шавыкин A.A., ИваноЕ A.A. Модернизация флусриметра "Квант" для экспрессного определения хлорофилла фитопланктона в воде

// Гидробиол. зкурн. — 1966. - Т.22, » б. - С. 83-87.

6. Черноок З.И., Чиликин З.П., Гегелия Л.И., Иавыкии A.A. Двухка -нальный йлуориметр // Технические средства и методы исследования океана: Тез. докл, Всесоюзн. гас. - К., 1987. - Т. 2. - С. 14-15.

7. A.c. 1315877 СССР MKJ43G 01 » 21/64. Способ определения концентрации хлорофилла в природных водах / Лаппин А.И., Огепин С.Б., Шавыкин A.A. (СССР). - IS 3717620/28-25; заявлено 02.04.84; опубл. 07.06.87., Бюл. Is 21. - 4 с.

8. A.c. 1352292 СССР, MKIÍsG0I № 1/10. Судовая система непрерывного отбора воды с приповерхностного горизонта / Шавыкин A.A., Шипу -нов Г.И., Селиверстов Н.Л., (СССР). 3987023/28-26; заявлено I0.IÔ.85; опубл. I5.II.e7, Епл. № 42. - 2 о.

9. Короткепич O.E., Барышева Л.Ф., Шавыкин A.A., Огарун С.С., Черноок В.И. Исследование распределения хлорофилла в Онежском озере с помоцьп безэкстрактной флуоресцентной методики // Комплексный диотанционный мониторинг озер: Сб. научн. тр. - Л.: Наука., 1987. - С. 123-128.

Ю. Шавыкин. A.A., Огепин С.Е.', Старун С.С., Короткевит O.E., Шума -ков Ф.Т. Некоторые вопросы применения безэкстрактной флуори -сцентной методики для экспрессного определения хлоро?"глла во внутренних водоемах // Комплексный дистанционный мониторинг озер: Сб. научн. тр. - Л.: Наука, 1987..- С. 129-Г39.

IT. Byzhow V.U., Bojtsow 7.D., Shavyfcin A.A. On Chlorophyll concentration in the area oí the parents Bea.polar.front in relation . to oceaaographic coBditions.ICK3 Synp.-19S7.-Pap., Ko 72.- 14 p.

- re -

12. Шапыкин Л.Л., Черноок Чили кик В.П., Гегелия Л.И. Флуори-метр "Квант-7" // Технические средства и методы освоения океанов и морей: Тез. докл. Всесовзн. шк. - M., 1989. - T.I. -

С. 224.

13. Шарнкин A.A., Рыжов З.М., Завьялов Л.К., Курашвнли А.Е. Структурные особенности поля хлорофилла в районе полярной Фронтальной зоны Баренцева моря // Океанологические Фронты северных морей: характеристики, методы исследований, модели: Теэ. докл. Воесоюзн. семинара. - И., 1989. - С. 29-30.

Д4, И'атшкин A.A., Рыжов В.М. Применение судовых флуориметров для изучения фитопланктонных сообществ / I. Определение хлорофил -лов: особенности методов, рекомендации по их применению, оценка результатов, полученных в натурных условиях: Препринт.

- Апатиты. - 1989. - 48 с.

15. A.c. 1496459 СОСР. Чиликин В.П.. Кузнецов Ю.Г., Черноок В.И., Иавыкин A.A. // Бюл. - 1989. - К 27. - С. 281.

16. Навыкин A.A. Судовой флуориметрический комплекс в соотаве сио-тема прокачки-флуориметр-ЭВМ // Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований: Тез. докл. конф. - Севас -тополь, 1989. - С. 43-45.

17. A.c. 1473518 СССР, MK!13G Ш % 21/64. Способ определения кон -цйнтрации хлорофил л ов а, в, с и их феофитинов / Зенкевич D.H., Я'аныкин A.A., ГснкеЕич'т.В., Рыжов В.М., КесЕетова Г.К. (СССР).

- № 4I754P/2P.-25; заявлено 07.01.87; опубл. 24.01.90, Гвл. № 3. -7 с.