Методы определения первичной продукции

В основу изучения первичной продукции планктона положено общеизвестное балансовое равенство фотосинтеза

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ – 674 ккал/моль

Это же равенство при чтении справа налево передает итог деструкции ОВ в процессе аэробного обмена или дыхания организмов, когда субстратом дыхания служат углеводы.

О величине продукции в принципе можно судить по нескольким различным показателям, например, по скорости выделения кислорода, потреблению углекислоты, изменению рН, накоплению продуктов фотосинтеза.

Кислородный метод

По отношению к морскому планктону этот метод впервые был применен немецким физиологом Пюттером (1908). В соответствие с уравнением фотосинтеза 1 мг освобожденного кислорода соответствует 0,375 мг синтезированного углерода, при этом потребляется 3,5 кал солнечной энергии, таким образом, по выделению свободного кислорода в процессе фотосинтеза можно судить о количестве образовавшегося ОВ.

Определение производят, инкубируя воду с фитопланктоном в светлых и темных склянках (описать судовой вариант и непосредственно в водоеме) в течение суток при температуре воды и естественном освещении. По разности в содержании кислорода в склянках, инкубируемых на свету и в темноте, судят о фотосинтезе. Разница между исходным содержанием кислорода и таковым после суточной экспозиции в темноте дает значение деструкции (дыхания). Валовая продукция определяется по разности в содержании кислорода в инкубируемой пробе воды без затемнения. Соответственно чистую продукцию получают вычитанием затрат на дыхание из величины валовой первичной продукции. Чистую продукцию планктона следует отличать от чистой продукции фитопланктона, которая представляет собой валовый фотосинтез за вычетом затрат кислорода на дыхание только фитопланктона. Последняя величина не поддается прямому измерению и чаще всего остается неизвестной или оценивается косвенным образом. Затраты на дыхание фитопланктона в среднем достигают 15-20% валовой первичной продукции.

Применение кислородного метода в олиготрофных водоемах ограниченно из-за его невысокой чувствительности.

Для определения содержания кислорода используют метод Винклера с его фиксацией MnCl₂ и KI+NaOH. Выпавший осадок растворяют HCl H₂SO₄ и титруют гипосульфитом с добавлением раствора крахмала в качестве индикатора. Титруют до полного обесцвечивания раствора. Полученный результат, зная объем экспериментальных склянок, пересчитывают в мг О₂∙л^-1∙сут^-1. Для пересчета на углерод используют оксикалорийный коэффициент = 3,4 ккал/1 г О₂ (14,24 кДж/г) [1 мл О₂ = 1,429 мг О₂]. В некоторых методических руководствах (Руководство по методам биологического анализа морской воды и донных отложений. – Гидрометеоиздат, 1980) оксикалорийный коэффициент принимался равным 3,75 ккал/1 г О₂.

ПРИМЕР: Определить чистую продукцию фитопланктона в единицах энергии, если: V_{склянки} = 200 мл; экспозиция склянок = 1 сутки; ΔО₂ («светлых» склянок) = 0,60 мл; ΔО₂ («темных» склянок) = 0,09 мл; 1 мл О₂ = 1,429 мг О₂; 1 мг С = 44,77 Дж.

РЕШЕНИЕ: в соответствие с уравнением фотосинтеза 1 мг освобожденного кислорода соответствует 0,375 мг синтезированного углерода. Следовательно

Р= 44,77 ∙ 0,375 ∙ 1,429 ∙ 5 ∙ (0,60 -0,09) = 61,2 Дж∙л^-1∙сут^-1

Радиоуглеродный метод

Впервые радиоуглеродную модификацию метода склянок для определения первичной продукции морского планктона впервые применил в 1950 году Стеман-Нильсен во время работ датской морской экспедиции на судне «Галатея» (1951). За короткий срок метод получил широкое распространение и был внедрен в практику гидробиологических исследований.

Сущность метода сводится к следующему. К заключенной в незатемненную склянку воде добавляется известное количество изотопа углерода ¹⁴С в виде карбоната или гидрокарбоната натрия с известной радиоактивностью. При этом используется ампулы, содержащие стандартные дозы раствора бикарбоната с меченым углеродом. После экспозиции вода профильтровывается через мембранный фильтр. Измерив активность фильтра с осевшим на нем планктоном (r) и зная общую начальную активность внесенного радиоуглерода (R), находят отношение этих величин. Принимается, что количество ассимилированной углекислоты находится в том же соотношении с общим количеством ее во взятом объеме воды (с). Таким образом, ассимилированной количество углекислоты (А) находится из соотношения:

А = (r ∙ с) / R

Радиоуглеродная модификация скляночного метода почти на два порядка чувствительнее кислородной модификации.

Наиболее слабым местом метода является то, что с его помощью фактически измеряется не все количество ассимилированного радиоактивного углерода. Некоторая часть ассимилированных атомов во время опыта принимает участие в дыхании и вновь уходит во внешнюю среду в составе выделенных при дыхании молекул СО₂. В длительных опытах этим методом измеряется не валовая, а чистая продукция, т.е. не истинный, а видимый фотосинтез. В среднем при кратковременных опытах 60% выделяемой при дыхании углекислоты приходится за счет ассимилированной при фотосинтезе. В этих случаях следует внести поправку +6% для определения истинного (валового) фотосинтеза.

Еще одним источником погрешностей является внеклеточная продукция (прижизненные выделения продуктов фотосинтеза), не учитываемая стандартными методами, и разрушение клеток фитопланктона при фильтрации проб воды через мембранные фильтры.

Расчет продукции по содержанию хлорофилла

Впервые содержание хлорофилла было определено Е.М. Крепсом и Н.А. Вержбицкой в 1930 г. при изучении планктона Баренцева моря. В настоящее время определение содержания хлорофилла «а» в планктоне широко используется при исследовании его продукции в различных водоемах.

Суть метода заключается в том, что тем или иным способом экстрагируют хлорофилл и концентрацию хлорофилла «а» определяют на спектрофотометрах или флуориметрах. Обычно фитопланктон из известного объема воды концентрируют фильтрованием на мембранном фильтре, высушивают, а затем экстрагируют из него пигменты в определенном объеме 90%-ного ацетона.

Для расчета первичной продукции по содержанию хлорофилла в планктоне необходимо знать так называемое ассимиляционное число, которое представляет собой отношение всего количества хлорофилла «а» к скорости фотосинтеза и выражается в мг ОВ, синтезированного за 1 час, на 1 мг хлорофилла в условиях освещенности, к которым данная система приспособлена. Среднее ассимиляционное число на глубине оптимального фотосинтеза зависит от трофического статуса водоема (Табл. 2) и физиологического состояния водорослей и равно примерно 2 мг С/ (мг∙ч).

Таблица 2. Содержание хлорофилла «а» в водоемах разного трофического статуса

Олиготрофные < 1

Мезотрофные 1-10

Эвтрофные 10-100

Высокотрофные >100.

Определение суточной динамики содержания кислорода в водоеме

Впервые этот метод был использован Г.Г. Винбергом и Л.И. Яровициной (1939) в 1937 году на озере Белом и впоследствии нашел широкое применение в изучении не только пресноводных, но и морских экосистем. По данному методу, необходимые вычисления производились на основе результатов измерений содержания кислорода в воде на закате, восходе солнца и в период максимальной освещенности после 12:00.

Валовая первичная продукция (P) определялась из уравнений:

t

P = DO_{2 max} + 0,85 · DO_{2 н} · ¾¾¾ или P = 1,6 · DO_{2 max}

24 - t

где DO_{2 max} - разность между минимальным содержанием кислорода в утренние часы и его максимальным содержанием в послеполуденное время; DO_{2 н} - снижение содержания кислорода за время от захода до восхода солнца; t - продолжительность светлого времени суток, час.

Суммарное потребление кислорода на дыхание (R) определялось:

О_вос - О _зах

R = DO_{2 н} = ¾¾¾¾¾

Dt

где О_вос и О _зах - содержание кислорода на восходе и закате солнца, Dt - интервал времени между измерениями кислорода.

К безусловным преимуществам использованного метода следует отнести его интегральность, позволяющую оценить суммарную продукцию всех автотрофов водоема.

Определение продукции макрофитов

Метод основан на прямых измерениях биомассы талломов водорослей за фиксированные интервалы времени:

Р= (В_t - B₀)/t

P"= P/B_ср

где Р – чистая продукция водорослей, мг·сут^-1; P" - удельная продукция макрофитов, сут^-1; B₀ – сырая масса таллома в начале эксперимента; В_t – масса таллома в момент времени t; B_ср - средний вес таллома водоросли за исследуемый период времени.

Расчетный метод

Дыхание и продукцию одноклеточных водорослей можно определить по расчетным уравнениям, выведенным на основании многочисленных эмпирических данных. В частности для одноклеточных водорослей Черного моря широко используются зависимости, выведенные З.З. Финенко (1982):

R= 0,024V^0,72 и P= 0,405V^0,54

где R- дыхание, мг С·ч^-1; P- фотосинтез (продукция) в среднем за фотопериод, 10^-9 мг С·ч^-1.

ПРИМЕР: Определить чистую суточную первичную продукцию фитопланктона, если N = 366 700 кл∙л^-1; B = 267 мг∙м^-3; продолжительность светлого времени суток (фотопериода) = 14 часов.

РЕШЕНИЕ:

1) Определяем средний объем клетки

V= 267: 366,7∙10⁶ = 7,226∙10^-7 мг = 7,226∙10^-7∙10⁹ = 722,6 μкм³

2) Определяем чистую суточную продукцию

Р= 0,406∙722,6^0,54∙14(час) ∙366700(кл/л) = 72727534,62∙10^-9= 0,07 мг С·л^-1·сут^-1

Продукцию макрофитов можно определить с помощью модели Г.Г. Миничевой (1998), основанной на определении величины удельной поверхности водорослевой популяции. В общем виде схема расчета имеет вид:

Р = b₀ + b₁ + ИПФ

b₁ = f ∙ (S/W_i)

b₀ = f ∙ (S/W_i)

где ИПФ – индекс поверхности фитоценоза, S/W_i – удельная поверхность популяции видов, входящих в сообщество (фитоценоз), b₀ и b₁ – коэффициенты уравнения.

Дата добавления: 2015-05-08