Гидробиологический мониторинг по общим показателям

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ»

 

 

Гидробиологический  мониторинг по общим показателям (фотосинтетические  пигменты – хлорофилл а, первичная  продукция планктона, деструкция органического  вещества)

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение………………………………………………………………............3

1.   Фотосинтетические пигменты. Хлорофилл а………………………………4

1.1. Определение хлорофилла “а”…………………………………........5

       1.2. Расчет содержания хлорофилла………………………………….....7

2. Первичная продукция и деструкция органического вещества………......9

                 2.1. Кислородная модификация метода склянок ……………………..10

                2.2.Радиоуглеродный метод определения первичной продукции (модификация метода склянок) ………………………………………………......10

                 2.3. Определение первичной  продукции и деструкции                    органического вещества…………………………………………………………...11

                 2.4. Расчет первичной продукции и деструкции органического вещества…………………………………………………………………………….12

Заключение ………………………………………………………………….13

Список используемой литературы…………………………………………...14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Мониторинг окружающей природной среды представляет собой  комплексную систему наблюдений за состоянием биосферы и ее отдельных компонентов. Основной целью проведения мониторинга являются: оценка и прогноз состояния природной среды и их изменения под влиянием антропогенных воздействий, предупреждение критических ситуаций, вредных или опасных для здоровья людей, живых организмов и их сообществ.

По мере освоения гидросферы возрастала роль научных исследований состояния и развития водных экосистем. Десятки лет специалистами велось и ведется изучение видового состава  всех живых обитателей различных типов водоемов, а также многообразия отношений между ними. Такие исследования ведутся специалистами-гидробиологами и относятся к задачам науки гидробиологии (от греч. hydro – вода, bios – жизнь, logos – наука). Экологическая гидробиология изучает взаимоотношения обитателей водоемов – гидробионтов и различных популяций друг с другом и с неживой природой.

Гидробиологичекий мониторинг включает в себя мониторинг по следующим основным показателям: хлорофиллу «а», первичной продукции и деструкции органического вещества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Фотосинтетические пигменты. Хлорофилл “а”

 

Способность растений осуществлять фотосинтез связана с наличием у  них пигментов. Главнейшим из них  является магнийсодержащий порфириновый пигмент — хлорофилл.       

В природе встречается пять разных типов хлорофилла, которые незначительно различаются по своей молекулярной структуре. Хлорофилл а присутствует у всех водорослей и высших растений; хлорофилл b — у зеленых, харовых и эвглеповых и у высших растений; хлорофилл с — у бурых водорослей, золотистых, диатомей и динофлагеллат; хлорофилл d — у красных водорослей; хлорофилл е обнаружен лишь однажды, по-видимому, это хлорофилл с; наконец, различные виды бактериохлорофилла — у фотосинтезирующих бактерий. Для синезеленых и красных водорослей характерно наличие билипротеинов: фикоцианина и фикоэритрина. Наиболее хорошо изучен хлорофилл а. Молекула его состоит из четырех пиррольных колец, с азотом которых связан атом магния, а к одному из колец присоединен одноатомный ненасыщенный спирт фитол.        

Молекула хлорофилла встроена в  мембрану — погружена гидрофобной  фитольной цепью в ее липидную часть. Чистый раствор хлорофилла а  имеет максимум поглощения при 663 нм. В интактной, неповрежденной, нормально  функционирующей клетке хлорофилл  характеризуется еще максимумами поглощения при 672 и 683 нм. Высокая эффективность поглощения света хлорофиллами обусловлена наличием в их молекуле большого числа сопряженных двойных связей.

 

 

 

¹

 

Большинство выделяющих кислород фотосинтезирующих клеток содержат два разных хлорофилла, одним  из которых всегда является хлорофилл  а; другим же, как видно из таблицы, у разных растений являются разные хлорофиллы (b, с, d); в некоторых случаях вместо второго хлорофилла в клетке содержатся билипротеины. Дополнительными рецепторами световой энергии являются также входящие в состав фотосинтетических мембран желтые пигменты — каротиноиды. Они отличаются от хлорофилла по положению максимумов поглощения и используют непоглощаемую хлорофиллом часть видимого спектра. Предполагают также, что каротиноиды выполняют защитную функцию, предотвращая распад хлорофилла под действием молекулярного кислорода.

 

1. Определение хлорофилла “а”

Через количество фотосинтезируюшего пигмента - хлорофилла, способного переизлучать поглощенную энергию света, то есть флуоресцировать, можно определить численность фитопланктона. Измеряя флуоресценцию фитопланктона, можно рассчитать концентрацию хлорофилла у микроводорослей трех основных таксонов: сине-зеленых, диатомовых и зеленых, обладающих различиями пигментного аппарата и спектров возбуждения флуоресценции.

Измерения проводятся как в лаборатории, на экспериментальных культурах  водорослей, так и на водоемах, в  полевых условиях.

 Свойство хлорофилла “a” и его предшественников к флуоресцентной эмиссии позволяет идентифицировать эти зеленые пигменты и охарактеризовать их в комплексной среде. Флуоресцентный метод может существенно помочь в определении и быстрой характеристике флуоресцирующих пигментов (таких, как хлорофиллы) среди нефлуоресцирующих (каротиноиды) без какого-либо разделения на компоненты. Флуоресценция также испускается фикоцианинами и фикоэритринами. Очень слабая флуоресценция была приписана каротиноидам in vitro.

Молекула пигмента, для излучения максимального сигнала флуоресценции, полностью возбуждена излучением, которое поглощается в наибольшей степени: хлорофиллы, которые имеют две полосы поглощения, обычно облучались, синим светом (так как возбуждение красной областью спектра будет смешиваться со слишком близкими полосами эмиссии). Интенсивность флуоресценции определяется температурой , pH и находится под значительным влиянием процессов транспорта энергии и примесей, особенно неорганических соединений.

 

Рис.1. Спектр флуоресценции

ЗеленЙ цвет - спектр поглощения хлорофилла, краснй - спектр флуоресценции.

 

Максимумы поглощения хлорофилла находится в красной и сине-фиолетовой области спектра, а флуоресценция происходит лишь в красной. Это связано с электронными переходами. Её спектральная линия как бы зеркально перевернута и сдвинута в длинноволновую сторону (рис.1.) ²

 Флуоресцентный метод, от большинства стандартных гидробиологических методов исследования отличается более высокой точностью и меньшей трудоемкостью, что позволяет уменьшить время обработки пробы фитопланктона. Это предоставляет возможность проводить экспресс-анализ состояния водных экосистем, создавая большие массивы данных для проведения систематических исследований в течении многих лет. Объектами исследования, кроме экстракта пигментов, служат живые клетки водорослей (in vivo), что позволяет судить о физиологическом состоянии фитопланктона, важнейшего звена в природных экосистемах.

Обычно используется погружной флуометр.

Измеряют вертикальные профили температуры, подводную освещенность, обилие (по Fo) и фотохимическую активность РЦ ФС 2 (по Fv/Fm), по которым строят пространственные разрезы указанных характеристик. Обилие фитопланктона выражают в единицах концентрации хлорофилла (Хл*), предварительно откалибровав в лабораторных условиях выход сигнала Fo по концентрации хлорофилла а, а также проводят анализы горизонтального распределения параметров флуоресценции фитопланктона в верхнем перемешиваемом слое.

Теоретически в определённом диапазоне концентраций пигментов величина интенсивности флуоресценции пропорциональна их концентрации:

Фл = К· С_а .

Коэффициент пропорциональности К, соответствующий флуоресценции  единицы вещества, принято называть удельным выходом. Удельный выход флуоресценции  зависит от состояния электрон-транспортной  цепи фотосинтеза и может быть заметно снижен за счет отвлечения части поглощенной энергии на фотохимические реакции. При действии симазина (1*10^-5 М) выход флуоресценции достигает максимального значения, а возможность ошибки из-за различий физиологического состояния водорослей снижается.

Диапазон длин волн возбуждающего  света  выбирается исходя из специфических отличий спектров действия флуоресценции у представителей отдельных  таксономических групп водорослей.

Для возбуждения флуоресценции было выбрано излучение трех областей спектра:

СИНЕЕ, l mаx = 400±40 нм, поглощаемое  преимущественно хлорофилл-белковым комплексом зеленых и эвгленовых водорослей (хлорофиллы а, b),

СИНЕ-ЗЕЛЁНОЕ, l mаx =515±30 нм, для фукоксантина и хлорофилл-белкового комплекса диатомовых водорослей (хлорофиллы а, с),

ЗЕЛЁНОЕ, l mаx  = 540 ± 10 нм  - для фикобилинового комплекса сине-зеленых водорослей.

Высокая стабильность величин  удельных выходов объясняется, вероятно, тем, что генетическая детерминация таксономических различий в структуре таксономического аппарата выше, чем фенотипические изменения внутри отдельной группы. Кроме того, высокая стабильность коэффициентов может быть связана с реализацией принципа поведения водорослей, как самонастраивающейся системы. Значительные изменения удельных выходов (не зависящих от физиологического состояния водорослей) могут определяться, в основном, нарушениями фотосинтетического аппарата. Однако, если какие-то факторы вызывают данные изменения, то они в конце концов приведут к эллиминации "дефектных" видов и их заменяют виды с нормальной организацией аппарата, со своим довольно устойчивым выходом. Адаптация системы заключается не в том, что накапливаются виды с деформированной организацией фотосинтетического аппарата, а в том, что за счет сукцесии доминирующими становятся другие таксоны.

 

2. Расчёт содержания хлорофилла

 

Величины сигналов флуоресценции  Фл400(чист.), Фл510(чист.), Фл540(чист.) подставляют  в левую часть системы линейных уравнений:

     Фл_{400(чист.)} = К_с-з(400) * С_с-з + К_д(400) * С_д + К_зел(400) * С_зел 
             Фл_{10(чист.)} = К_с-з(510) * С_с-з + К_д(510) * С_д + К_зел(510) * С_зел        
               Фл_{540(чист.)} = К_с-з(540) * С_с-з + К_д(540) * С_д + К_зел(540) * С_зел  ,

где К_с-з, К_д, К_зел - У_д.в. флуоресценции сине-зелёных, диатомовых и зелёных водорослей при возбуждении флуоресценции светом определённой спектральной области (400, 510, 540 нм ),

С - концентрация хлорофилла “а” по каждому из отделов; нижний индекс - длина волны максимумов спектральных областей  возбуждающего света, [мг/м³].

Решая систему относительно С_а, находят количественное содержание пигмента в водорослях каждого из указанных отделов. Если в ходе решения получены отрицательные значения С_а, их принимают равными 0.  Общее содержание хлорофилла “а” в пробе определяют как сумму концентраций пигмента в клетках водорослей трёх отделов. ³

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Первичная продукция и деструкция органического вещества

Одновременное увеличение первичной продукции и видового разнообразия фитопланктона является надежным показателем экологического прогресса. Активное антропогенное воздействие ведет к увеличению первичной продукции и сокращению видового разнообразия фитоценоза.

При оценке состояния  водной среды продукционно – деструкционные параметры растительных сообществ имеют ряд преимуществ по сравнению с другими показателями. Растительные организмы быстро реагируют первичной продукцией и деструкцией на изменения условий водной среды. Первичная продукция – это продукция органического вещества, образованного растительными клетками в процессе фотосинтеза. Органическое вещество при этом становится пищей для животных организмов разных трофических уровней. Таким образом, уровень первичной продукции определяет уровень биологической продуктивности водоема в целом. Деструкция – процесс разложения органического вещества, то есть процесс, противоположный фотосинтезу.

Первичная продукция  и деструкция являются также важными  характеристиками состояния водоема  в плане оценки качества воды. Интенсивное продуцирование органического вещества при массовом развитии фитопланктона приводит к эвтрофированию водоемов.

Первичная продукция - результат жизнедеятельности растительных организмов - характеризует итог процесса фотосинтеза, в ходе которого органическое вещество синтезируется из минеральных компонентов окружающей среды. Таким образом, первичная продукция представляет собой массу новообразованного органического вещества за определенный период времени. Мерой первичной продукции является скорость новообразования органического вещества.