Коррекция тушения флуоресценции хлорофилла α в верхнем перемешанном слое моря: разработка алгоритма

Н. А. Моисеева1,✉, Т. Я. Чурилова1, Т. В. Ефимова1, Д. Н. Маторин2

1 Институт морских биологических исследований 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. Для исследования пространственно-временной изменчивости концентрации хлорофилла а на больших масштабах широко используются данные погружных датчиков флуоресценции зондирующего комплекса CTD, а также данные, полученные с самостоятельно дрейфующих буев BioArgo. В этих приборах датчики измерения интенсивности флуоресценции не оборудованы темновой камерой, вследствие чего в светлое время суток под действием света часть реакционных центров фотосистемы 2 находится в неактивном состоянии. Это выражается в уменьшении измеренных значений интенсивности флуоресценции в верхнем перемешанном слое, связанном с процессом тушения флуоресценции, в то время как концентрация хлорофилла а может оставаться неизменной. Цель работы – создать алгоритм коррекции тушения флуоресценции, измеряемой в море, с помощью погружных датчиков.

Методы и результаты. Показано, что фотосинтетически активная радиация уменьшается с глубиной в пределах верхнего квазиоднородного слоя почти на порядок. Флуоресценция хлорофилла а, измеренная погружным датчиком (без темновой камеры), в этом слое увеличивается с глубиной. Установлена связь между интенсивностью освещения в среде обитания фитопланктона и долей активных реакционных центров фотосистемы 2 в клетках микроводорослей. Связь описывается экспоненциальной зависимостью. Доля активных центров влияет на степень снижения интенсивности флуоресценции и, следовательно, на светоиндуцированное тушение флуоресценции.

Выводы. Предложен универсальный алгоритм коррекции тушения флуоресценции в верхнем квазиоднородном слое. С помощью алгоритма получено почти однородное распределение флуоресценции в этом слое, которое соответствует результатам измерения концентрации хлорофилла а спектрофотометрическим методом.

Ключевые слова

флуоресценция, фотохимическое и нефотохимическое тушение, реакционные центры, фотосистема 2, концентрация хлорофилла а, фитопланктон, BioArgo буи

Благодарности

Работа выполнена по теме государственного задания «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 по теме «Комплексные исследования современного состояния экосистемы Атлантического сектора Антарктики» АААА-А19-119100290162-0, а также частично при поддержке РФФИ, грант № 18-45-920070.

Для цитирования

Коррекция тушения флуоресценции хлорофилла а в верхнем перемешанном слое моря: разработка алгоритма / Н. А. Моисеева [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 1. С. 66–74. EDN AVXBXK. doi:10.22449/0233-7584-2020-1-66-74

Moiseeva, N.A., Churilоva, T.Ya., Efimova, T.V. and Matorin, D.N., 2020. Correction of the Chlorophyll a Fluorescence Quenching in the Sea Upper Mixed Layer: Development of the Algorithm. Physical Oceanography, 27(1), pp. 60-68. doi:10.22449/1573-160X-2020-1-60-68

DOI

10.22449/0233-7584-2020-1-66-74

Список литературы

  1. Falkowski P. G., Raven J. A. Aquatic Photosynthesis. Princeton : Princeton University Press, 2007. 488 p.
  2. Suggett D. J., Prášil O., Borowitzka M. A. Chlorophyll a Fluorescence in Aquatic Sciences: Methods and Applications. Dordrecht : Springer, 2010. 323 p. doi:10.1007/978-90-481-9268-7
  3. Сорокин Ю. И. Черное море: Природа, ресурсы. М. : Наука, 1982. 217 с.
  4. 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 / Eds. M. Babin, C. S. Roesler, J. J. Cullen. Paris : UNESCO Publishing, 2008. P. 237–280.
  5. Pogosyan S. I., Matorin D. N. Variability in the state of the photosynthetic system of the Black Sea phytoplankton // Oceanology. 2005. Vol. 45, suppl. 1. P. S139–S148. URL: http://www.library.biophys.msu.ru/matorin/3385.pdf (date of access: 10/11/2019).
  6. Schreiber U., Bilger W., Neubauer C. Chlorophyll fluorescence as a nonintrusive indicator for rapid assessment of in vivo photosynthesis // Ecophysiology of Photosynthesis / E. D. Schulze, M. M. Caldwell (eds). Berlin : Springer, 1995. P. 49–70. (Springer Study Edition ; vol. 100). https://doi.org/10.1007/978-3-642-79354-7_3
  7. Kirk J. T. O. Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. 649 p.
  8. 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.
  9. 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. 96800T. doi:10.1117/12.2203660
  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. Применение флуориметра «МЕГА-25» для определения количества фитопланктона и оценки состояния его фотосинтетического аппарата / С. И. Погосян [и др.] // Вода: Химия и экология. 2009. No 6(12). С. 34–40.
  12. Variability of the specific fluorescence of chlorophyll in the ocean. Part 1. Theory of classical in situ chlorophyll fluorometry / M. Ostrowska [et al.] // Oceanologia. 2000. Vol. 42, iss. 2. P. 203–219. URL: https://www.iopan.pl/oceanologia/Art5.pdf (date of access: 20.11.2019).
  13. Концентрация и флуоресценция хлорофилла а в период сезонной стратификации вод в Черном море / Н. А. Моисеева [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, No 5. С. 481–495. doi:10.22449/0233-7584-2019-5-481-495
  14. 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
  15. Use of bio-optical profiling float data in validation of ocean colour satellite products in a remote ocean region / B. Wojtasiewicz [et al.] // Remote Sensing of Environment. 2018. Vol. 209. P. 275–290. https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.02.057

Скачать статью в PDF-формате