Концентрация и флуоресценция хлорофилла а в период сезонной стратификации вод в Черном море

Н. А. Моисеева1,✉, Т. Я. Чурилова1, Т. В. Ефимова1, О. В. Кривенко1, Д. Н. Маторин22

1 Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН, Севастополь, Россия

2 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Россия

✉ e-mail: nataliya-moiseeva@yandex.ru

Аннотация

Цель. В настоящее время широко распространен экспрессный метод оценки концентрации хлорофилла а по его флуоресценции. Применяемый при расчетах коэффициент связи между этими двумя величинами предполагается постоянный (в пространстве и во времени), что не соответствует действительности. Поэтому основной целью работы было исследовать зависимость флуоресценции от концентрации хлорофилла а в глубоководной части Черного моря в теплый период года, когда наблюдается сезонная стратификация вод.

Методы и результаты. Была исследована связь между коэффициентом поглощения света пигментами фитопланктона, концентрацией и флуоресценцией хлорофилла а. Показано, что соотношение между флуоресценцией и концентрацией хлорофилла а различалось между квазиизолированными слоями в период сезонной стратификации вод. Установлена вертикальная неоднородность флуоресценции, нормированной на концентрацию хлорофилла а в эвфотическом слое, обусловленная изменением способности фитопланктона поглощать кванты света на длине волны ~ 455 нм (возбуждение флуоресценции) в расчете на единицу содержания хлорофилла а. Сравнение удельных величин флуоресценции и показателя поглощения света на длине волны ~ 455 нм показало сильную корреляционную зависимость между ними, что свидетельствует о незначительном изменении величин квантового выхода флуоресценции в пределах зоны фотосинтеза.

Выводы. Полученные зависимости между концентрацией хлорофилла а и его флуоресценцией могут быть применены для уточнения используемых в настоящее время алгоритмов восстановления профилей концентрации хлорофилла а на основе данных погружных датчиков флуоресценции или самостоятельно дрейфующих буев международного проекта Biogeochemical-Argo.

Ключевые слова

хлорофилл а, флуоресценция, поглощение света, квантовый выход, фитопланктон, Черное море

Благодарности

Работа выполнена по теме государственного задания (гос. рег. № АААА-А18-118020790229-7), теме «Изучение пространственно-временной организации водных и сухопутных экосистем с целью развития системы оперативного мониторинга на основе данных дистанционного зондирования и ГИС-технологий» (гос. рег. № АААА-А19-119061190081-9) и теме «Комплексные исследования современного состояния экосистемы Атлантического сектора Антарктики», а также частично при поддержке РФФИ, грант № 17-05-00113 и 18-45-920070. Авторы выражают глубокую признательность начальнику экспедиции А. С. Микаэляну и отряду гидрологических исследований в лице С. А. Шутова и Р. О. Шаповалова за организацию и проведение работ в экспедиции.

Для цитирования

Концентрация и флуоресценция хлорофилла а в период сезонной стратификации вод в Черном море / Н. А. Моисеева [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 5. С. 481–495. EDN DLINPW. doi:10.22449/0233-7584-2019-5-481-495

Moiseeva, N.A., Churilova, T.Ya., Efimova, T.V., Krivenko, O.V. and Matorin, D.N., 2019. Fluorescence of Chlorophyll a during Seasonal Water Stratification in the Black Sea. Physical Oceanography, 26(5), pp. 425-437. doi:10.22449/1573-160X-2019-5-425-437

DOI

10.22449/0233-7584-2019-5-481-495

Список литературы

  1. Lorenzen C. J. A method for the continuous measurement of in vivo chlorophyll concentration // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1966. Vol. 13, iss. 2. P. 223–227. https://doi.org/10.1016/0011-7471(66)91102-8
  2. Kiefer D. A. Fluorescence properties of natural phytoplankton populations // Marine Biology. 1973. Vol. 22, iss. 3. P. 263–269. https://doi.org/10.1007/BF00389180
  3. Combined processing and mutual interpretation of radiometry and fluorimetry from autonomous profiling Bio‐Argo floats: Chlorophyll a retrieval / X. Xing [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2011. Vol. 116, iss. C6. C06020. https://doi.org/10.1029/2010JC006899
  4. Application of SeaWiFS data for studying variability of bio-optical characteristics in the Barents, Black and Caspian Seas / O. V. Kopelevich [et al.] // Deep-Sea Research Part II: Tropical Studies in Oceanography. 2004. Vol. 51, iss. 10–11. P. 1063–1091. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2003.10.009
  5. Processing bio-Argo chlorophyll-A concentration at the DAC level. Argo data management / C. Schmechtig [et al.]. https://doi.org/10.13155/39468
  6. Babin M. Phytoplankton fluorescence: theory, current literature and in situ measurement // Real-time Coastal Observing Systems for Marine Ecosystem Dynamics and Harmful Algal Blooms: Theory, Instrumentation and Modelling / Ed. M. Babin, C. S. Roesler, J. J. Cullen. Paris : UNESCO Publishing, 2008. P. 237–280. URL: https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000160000 (date of access: 04.07.2019).
  7. Morel A., Bricaud А. Theoretical results concerning light absorption in a discrete medium, and application to specific absorption of phytoplankton // Deep-Sea Research Part A: Oceanographic Research Papers. 1981. Vol. 28, iss. 11. P. 1375–1393. https://doi.org/10.1016/0198-0149(81)90039-X
  8. Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization / A. Bricaud [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1995. Vol. 100, iss. C7. P. 13321–13332. https://doi.org/10.1029/95JC00463
  9. Falkowski P., Kiefer D. A. Chlorophyll a fluorescence in phytoplankton: relationship to photosynthesis and biomass // Journal of Plankton Research. 1985. Vol. 7, iss. 5. P. 715–731. https://doi.org/10.1093/plankt/7.5.715
  10. Nitrogen- and irradiance-dependent variations of the maximum quantum yield of carbon fixation in eutrophic, mesotrophic and oligotrophic marine systems / M. Babin [et al.] // Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1996. Vol. 43, iss. 8. P. 1241–1272. https://doi.org/10.1016/0967-0637(96)00058-1
  11. Light Absorption by Phytoplankton in the Upper Mixed Layer of the Black Sea: Seasonality and Parameterization / T. Churilova [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2017. Vol. 4. Article 90. 14 p. https://doi.org/10.3389/fmars.2017.00090
  12. Ведерников В. И. Первичная продукция и хлорофилл в Черном море в летне-осенний период // Структура и продукционные характеристики планктонных сообществ Черного моря / Отв. ред. М. Е. Виноградов, М. В. Флинт. М. : Наука, 1989. С. 65–83. URL: http://www.geokniga.org/bookfiles/geokniga-1989blacksea.pdf (дата обращения: 02.08.2019).
  13. Lorenzen C. J. Determination of chlorophyll and pheo-pigments: spectrophotometric equations // Limnology and Oceanography. 1967. Vol. 12, iss. 2. P. 343–346. https://doi.org/10.4319/lo.1967.12.2.0343
  14. Determination of spectral absorption coefficients of particles, dissolved material and phytoplankton for discrete water samples / B. G. Mitchell [et al.] // Ocean optics protocols for satellite ocean color sensor validation, Revision 3, Volume 2 / Eds. J. L. Mueller, g. S. Fargion. Greenbelt, Maryland : Goddart Space Flight Center, 2002. Chapter 15. P. 231–257. URL: https://www.researchgate.net/publication/255606432_Determination_of_spectral_absorption_coefficients_of_particles_dissolved_material_and_phytoplankton_for_discrete_water_samples (date of access: 02.08.2019).
  15. Yentsch C. S. Measurement of visible light absorption by particulate matter in the ocean // Limnology and Oceanography. 1962. Vol. 7, iss. 2. P. 207–217. https://doi.org/10.4319/lo.1962.7.2.0207
  16. Mitchell B. G. Algorithms for determining the absorption coefficient for aquatic particulates using the quantitative filter technique // Proceedings SPIE. SPIE, 1990. Vol. 1302: Ocean optics X. P. 137–148. https://doi.org/10.1117/12.21440
  17. Tassan S., Ferrari G. M. An alternative approach to absorption measurements of aquatic particles retained on filters // Limnology аnd Oceanography. 1995. Vol. 40, iss. 8. P. 1358–1368. https://doi.org/10.4319/lo.1995.40.8.1358
  18. Гаевский Н. А., Моргун В. Н. Использование переменной и замедленной флуоресценции хлорофилла для изучения фотосинтеза растений // Физиология растений. 1993. Т. 40, № 1. С. 119–127.
  19. Berthon J.-F., Mélin F., Zibordi G. Ocean colour remote sensing of the optically complex European seas // Remote Sensing of the European Seas / Eds. V. Barale, M. Gade. Dordrecht : Springer, 2008. P. 35–52. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6772-3_3
  20. Определение концентрации хлорофилла а в Черном море на основе показателей флуоресценции / Н. А. Моисеева [и др.] // Водные ресурсы: изучение и управление (лимнологическая школа-практика). Материалы V Международной конференции молодых ученых (5–8 сентября 2016 г.) / Отв. ред. Д. А. Субетто [и др.]. Т. 1. Петрозаводск : Карельский научный центр РАН, 2016. C. 305–313. URL: http://elibrary.krc.karelia.ru/501/1/водные%20ресурсы_1том.pdf (дата обращения: 07.07.2019).
  21. Annual variability in light absorption by particles and colored dissolved organic matter in the Crimean coastal waters (the Black Sea) / T. Churilova [et al.] // Proceedings SPIE. SPIE, 2017. Vol. 10466: 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 104664B. https://doi.org/10.1117/12.2288339
  22. Применение флуориметра «МЕГА-25» для определения количества фитопланктона и оценки состояния его фотосинтетического аппарата / С. И. Погосян [и др.] // Вода: Химия и экология. 2009. № 6(12). С. 34–40.
  23. Phytoplankton light absorption in the deep chlorophyll maximum layer of the Black Sea / T. Churilova [et al.] // European Journal of Remote Sensing. 2019. Vol. 52, iss. sup. 1: 37th EARSeL Symposium: Smart Future with Remote Sensing. P. 123–136. https://doi.org/10.1080/22797254.2018.1533389
  24. Photoacclimation of photosynthesis irradiance response curves and photosynthetic pigments in microalgae and cyanobacteria / H. L. MacIntyre [et al.] // Journal of Phycology. 2002. Vol. 38, iss. 1. P. 17–38. https://doi.org/10.1046/j.1529-8817.2002.00094.x
  25. Fujiki T., Taguchi S. Variability in chlorophyll a specific absorption coefficient in marine phytoplankton as a function of cell size and irradiance // Journal of Plankton Research. 2002. Vol. 24, no. 9. P. 859–874. doi:10.1093/plankt/24.9.859
  26. Photosynthetically available radiation on surface of the Black Sea based on ocean color data / V. V. Suslin [et al.] // SPIE Proceedings. SPIE, 2015. Vol. 9680: 21st International Symposium Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 6 p. doi:10.1117/12.2203660
  27. Чурилова Т. Я., Суслин В. В. О причинах доминирования Emiliania huxleyi в фитопланктоне глубоководной части Черного моря в начале лета // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2012. Вып. 26, т. 2. С. 195–203.

Скачать статью в PDF-формате