Зависимость квантового выхода фотосинтеза от поглощения света фитопланктоном: получение количественных связей для оценки первичной продукции в Черном море

Т. Я. Чурилова1,✉, В. В. Суслин2, Х. М. Сосик3

1 едеральный исследовательский центр «Институт биологии южных морей имени А. О. Ковалевского РАН», Севастополь, Россия

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

3 Вудсхольский океанографический институт, Вудс-Хол, США

✉ e-mail: tanya.churilova@ibss-ras.ru

Аннотация

Цель. На основе результатов экспедиционных исследований, включающих основные гидрофизические характеристики вод, концентрацию хлорофилла а, световые кривые зависимости скорости фотосинтеза, спектральные показатели поглощения света пигментами фитопланктона и спектральную квантовую облученность в водной толще, было проведено исследование зависимости квантового выхода от условий в среде с целью адаптации подхода к оценке квантового выхода фотосинтеза, разработанного для Балтийского моря, к условиям Черного моря.

Методы и результаты. Комплексные гидрофизические и биологические исследования проводились на нескольких глубинах зоны фотосинтеза. Спектральные биооптические показатели измеряли в соответствии с современным протоколом NASA (2018). Эксперименты по исследованию световой зависимости скорости фотосинтеза выполняли в температурных и световых условиях, максимально приближенных к условиям in situ. Квантовый выход фотосинтеза рассчитывали на основе измеренных параметров фотосинтеза (эффективности фотосинтеза, параметра светового насыщения фотосинтеза) и спектральных показателей поглощения света пигментами фитопланктона. Было показано изменение с глубиной в зоне фотосинтеза основных фотосинтетических характеристик фитопланктона, в том числе максимального квантового выхода фотосинтеза, доли фотопротекторных вспомогательных пигментов в общем поглощении света фитопланктоном, что связано с фотоадаптацией фитопланктона к условиям в среде в период сезонной стратификации вод. Установлена зависимость между квантовым выходом фотосинтеза и количеством квантов солнечной энергии, поглощенных фотосинтетически активными пигментами фитопланктона. В результате проведенных исследований уравнение расчета квантового выхода, разработанное для других акваторий, было модифицировано к условиям Черного моря.

Выводы. Впервые проведенные в Черном море комплексные исследования, включающие измерения световых зависимостей фотосинтеза, спектральных показателей поглощения света пигментами фитопланктона и спектральной квантовой облученности на разных глубинах зоны фотосинтеза позволили получить уравнение для расчета квантового выхода фотосинтеза, которое будет использовано для проведения расчетов первичной продукции Черного моря с использованием спектрального подхода как на основе результатов натурных наблюдений, так и с использованием данных дистанционного зондирования.

Ключевые слова

фитопланктон, пигменты, квантовый выход, поглощение света, фотосинтез, Черное море

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме АААА-А19-119061190081-9, а также частично при поддержке РФФИ гранта 18-45-920070.

Для цитирования

Чурилова Т. Я., Суслин В. В., Сосик Х. М. Зависимость квантового выхода фотосинтеза от поглощения света фитопланктоном: получение количественных связей для оценки первичной продукции в Черном море // Морской гидрофизический журнал. 2021. Т. 37, № 1. С. 73–84. EDN XCAUYZ. doi:10.22449/0233-7584-2021-1-73-84

Churilova, T.Ya., Suslin, V.V. and Sosik, H.M., 2021. Dependence of the Photosynthetic Quantum Yield on Phytoplankton Light Absorption: Equations for Assessing Primary Production in the Black Sea. Physical Oceanography, 28(1), pp. 67-77. doi:10.22449/1573-160X-2021-1-67-77

DOI

10.22449/0233-7584-2021-1-73-84

Список литературы

  1. Primary productivity of planet earth: biological determinants and physical constraints in terrestrial and aquatic habitats / R. J. Geider [et al.] // Global Change Biology. 2001. Vol. 7, iss. 8. P. 849–882. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2001.00448.x
  2. Falkowski P. G., Raven J. A. Aquatic photosynthesis. Princeton: Princeton University Press, 2007. 488 p. doi:10.2307/j.ctt4cgbxs
  3. Phytoplankton productivity: Carbon assimilation in marine and freshwater Ecosystems / Eds: P. J. le B. Williams, D. N Thomas., C. S. Reynolds. Garsington: Blackwell Science Ltd, 2002. 400 p. doi:10.1002/9780470995204
  4. Спектральный подход к оценке скорости фотосинтеза фитопланктона в Черном море по спутниковой информации: методологические аспекты развития региональной модели / Т.Я. Чурилова [и др.] // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. 2016. Т. 9, № 4. С. 367–384. https://doi.org/10.17516/1997-1389-2016-9-4-367-384
  5. 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. 90. https://doi.org/10.3389/fmars.2017.00090
  6. 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. suppl. 1. P. 123–136. https://doi.org/10.1080/22797254.2018.1533389
  7. Smyth T. J., Tilstone G. H., Groom S. B. Integration of radiative transfer into satellite models of ocean primary production // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005. Vol. 110, iss. C10. C10014. https://doi.org/10.1029/2004JC002784
  8. Quantum yield of photosynthesis in the Baltic: a new mathematical expression for remote sensing applications / B. Woźniak [et al.] // Oceanologia. 2007. Vol. 49, iss. 4. P. 527–542. URL: http://www.iopan.gda.pl/oceanologia/494wozni.pdf ().
  9. Чурилова Т. Я. Поглощение света фитопланктоном и детритом в Черном море в весенний период // Океанология. 2001. Т. 41, № 5. С. 719–727.
  10. 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
  11. Mitchell B., Kiefer D. A. Chlorophyll a specific absorption and fluorescence excitation spectra for light-limited phytoplankton // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1988. Vol. 35, iss. 5. P. 639–663. https://doi.org/10.1016/0198-0149(88)90024-6
  12. IOCCG Ocean Optics and Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sensor Validation. Volume 1.0 : Inherent Optical Property Measurements and Protocols: Absorption Coefficient / Eds.: A. R. Neeley, A. Mannino. Dartmouth, NS, Canada : IOCCG, 2018. 78 p. http://dx.doi.org/10.25607/OBP-119
  13. Mitchell B. G. Algorithms for determining the absorption coefficient for aquatic particulates using the quantitative filter technique // Proceedings of SPIE: Ocean Optics X. 1990. Vol. 1302. P. 137–148. https://doi.org/10.1117/12.21440
  14. Estimation of the spectral absorption coefficients of phytoplankton in the sea / M. Kishino [et al.] // Bulletin of Marine Science. 1985. Vol. 37, no. 2. P. 634–642.
  15. Изменчивость фотосинтетических параметров фитопланктона в поверхностном слое Черного моря / З. З. Финенко [и др.] // Океанология. 2002. Т. 42, № 1. С. 60–75.
  16. Photosynthesis and photoadaptation of marine phytoplankton in the arctic / T. Platt [et al.] // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1982. Vol. 29, iss. 10. P. 1159–1170. https://doi.org/10.1016/0198-0149(82)90087-5
  17. Bidigare R. R., Prézelin B. B., Smith R. C. Bio-optical models and the problems of scaling // Primary productivity and biogeochemical cycles in the sea / Eds. P. G. Falkowski, A. D. Woodhead, K. Vivirito. Boston, MA : Springer, 1992. P. 175–212. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-0762-2_11
  18. Pigment absorption and quantum yields in the Arabian Sea / J. Marra [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2000. Vol. 47, iss. 7–8. P. 1279–1299. https://doi.org/10.1016/S0967-0645(99)00144-7
  19. Kirk J. T. O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. 3d ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. 662 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139168212
  20. 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
  21. Финенко З. З., Чурилова Т. Я., Сосик Х. М. Вертикальное распределение фотосинтети-ческих характеристик фитопланктона в Черном море // Океанология. 2004. Т. 44, № 2. C. 222–237.
  22. Dissolved and suspended matter variability in coastal waters: photosynthetic available light / T. Churilova [et al.] // Proceedings of SPIE: 24th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2018. Vol. 10833. Article 1083365. https://doi.org/10.1117/12.2504637
  23. Churilova T., Finenko Z., Tugrul S. Light absorption and maximum quantum yield of photosynthesis during autumn phytoplankton bloom in the western Black Sea // Морской экологический журнал. 2008. Vol. 7, no. 3. P. 75–86. URL: https://repository.marine-research.org/bitstream/299011/975/1/MEJ_Churilova_et_al_2007_corrected.pdf (дата обра-щения: 20.12.2020).
  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. Чурилова Т. Я., Финенко З. З., Акимов А. И. Пигменты микроводорослей // Микроводоросли Черного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологического использования. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2008. С. 301–319. URL: http://repository.marine-research.org/handle/299011/5521 (дата обращения: 20.12.2020).
  26. Dependence of the photosynthesis quantum yield in oceans on environmental factors / B. Woźniak [et al.] // Oceanologia. 2002. Vol. 44, iss. 4. P. 439–459. URL: https://www.iopan.pl/oceanologia/444wozni.pdf (date of access: 20.11.2020).
  27. Ficek D. Modelling the quantum yield of photosynthesis in various marine systems. Sopot : Institute of Oceanology PAS, 2001. 224 p. (Rozprawy i Monografie IO PAN ; Issue 14).

Скачать статью в PDF-формате