Регистрация флюоресценции фитопланктона с использованием экспериментального зондирующего измерителя

Дано описание основных оптических характеристик фитопланктона и окрашенного растворённого органического вещества. Обоснована необходимость одновременной регистрации флюоресценции пигментов фитопланктона и окрашенного растворённого органического вещества в морской воде in situ. Рассмотрены коммерческие приборы регистрации, осуществляющие регистрацию сигналов интенсивности флюоресценции фитопланктона in situ. В данной работе представлен разработанный экспериментальный зондирующий автономный многоканальный измеритель флюоресценции и рассеяния света в морской воде (ФР‑1). В работе представлена функциональная схема разработанного измерителя, дано описание его основных узлов и принципов его работы. Разработанный измеритель позволяет квазиодновременно регистрировать большой набор параметров: спектры возбуждения флюоресценции фитопланктона, интенсивности флюоресценции пигментов фитопланктона (хлорофилл-а, фикоэритрина, фикоцианина, β-каротина), а также интенсивность флюоресценции окрашенного растворённого органического вещества и спектры показателя рассеяния света под углом 90°. Регистрация всех указанных параметров осуществляется из одного измерительного объёма, где в процессе зондирования в каждый конкретный момент времени находится одна и та же композиция взвешенного вещества. Представлены результаты апробации разработанного измерителя и предложено направление дальнейших исследований с его использованием.

1. Sieburth J.M.N., Smatacek V., Lenz J. Pelagic ecosystem structure: Heterotrophic compartments of the plankton and their relationship to plankton size fractions // Limnology and Oceanography. 1978. Vol. 23, Iss. 6. P. 1256–1263. doi:10.4319/lo.1978.23.6.1256

2. Geider R.J., Delucia E.H., Falkowski P.G. et al. Primary productivity of planet earth: biological determinants and physical constraints in terrestrial and aquatic habitats // Global change biology. 2001. Vol. 7, N 8. P. 849–882. doi:10.1046/j.1365-2486.2001.00448.x

3. Попик А.Ю. Динамика спектров лазерной индуцированной флуоресценции хлорофилла-а фитопланктона в условиях меняющихся параметров внешней среды: дис. … канд. физ.-мат. наук. Институт автоматики и процессов управления. Владивосток, 2015. 145 с.

4. Сафонов А.В., Огнистая А.В., Болдырев К.А. и др. Роль фитопланктона в самоочищении водоемов с радионуклидным загрязнением // Радиохимия. 2022. Т. 64, № 2. С. 120–132.

5. Евтушенко Н.Ю., Кузьменко М.И., Сиренко Л.А. Гидроэкологические последствия аварии на Чернобыльской АЭС. Киев: Наукова думка, 1992. 267 c.

6. Левин И.М. Малопараметрические модели первичных оптических характеристик морской воды // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014. Т. 7, № 3. С. 3–22.

7. Чурилова Т.Я., Финенко З.З., Акимов А.И. Пигменты микроводорослей // Микроводоросли Черного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологического использования / НАН Украины, Институт биологии южных морей. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2008. С. 301–319.

8. Дымова О.В., Головко Т.К. Фотосинтетические пигменты: функционирование, экология, биологическая активность // Известия Уфимского научного центра РАН. 2018. № 3–4. С. 5–16.

9. Pfennig N. Photosynthetic bacteria // Annual Reviews in Microbiology. 1967. Vol. 21, N 1. С. 285–324. doi:10.1146/annurev.mi.21.100167.001441

10. Jeffrey S.W. Introduction to marine phytoplankton and their pigment signatures // Phytoplankton pigments in oceanography — Guidelines to modern methods. 1997. P. 37–84.

11. Harrison J.W. et al. Improved estimates of phytoplankton community composition based on in situ spectral fluorescence: use of ordination and field-derived norm spectra for the bbe FluoroProbe // Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 2016. Vol. 73, N 10. С. 1472–1482. doi:10.1139/cjfas-2015-0360

12. Brown M.R., Jeffrey S.W., Volkman J.K. et al. Nutritional properties of microalgae for mariculture // Aquaculture. 1997. Vol. 151, N 1–4. P. 315–331. doi:10.1016/S0044-8486(96)01501-3

13. Копелевич О.В., Салинг И.В., Вазюля С.В. и др. Биооптические характеристики морей, омывающих берега западной половины России, по данным спутниковых сканеров цвета 1998–2017 гг. Москва: ООО «ВАШ ФОРМАТ», 2018. 140 с.

14. Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Костяной А.Г. Спутниковые методы выявления и мониторинга зон экологического риска морских акваторий. М.: ИКИ РАН, 2016. 334 с.

15. Ли М.Е., Ли Р.И., Мартынов О.В. Определение биооптических свойств вод по измерениям спектральных характеристик флюоресценции и рассеяния света в морской среде // Системы контроля окружающей среды. 2014. № 20. С. 74–83.

16. Берсенева Г.П., Крупаткина Д.К. Особенности распределения пигментов фитопланктона в восточной части Черного моря в ранний летний период // Экология моря. 1990. Т. 35. С. 1–7.

17. Petit F., Uitz Ju., Schmechtig C. et al. Influence of the phytoplankton community composition on the in situ fluorescence signal: Implication for an improved estimation of the chlorophyll-a concentration from BioGeoChemical-Argo profiling floats // Frontiers in Marine Science. 2022. Vol. 9. P. 959131. doi:10.3389/fmars.2022.959131

18. Финенко З.З., Чурилова Т.Я., Ли Р.И. Вертикальное распределение хлорофилла и флуоресценции в Черном море // Морской экологический журнал. 2005. Т. 4, № 1. С. 15–46.

19. Taniguchi M., Lindsey J.S. Absorption and Fluorescence Spectral Database of Chlorophylls and Analogues // Photochemistry and Photobiology. 2021. Vol. 97, Iss. 1. P. 136–165. doi:10.1111/php.13319

20. Монин А.С. Оптика океана: В 2-х т. М.: Наука, 1983. Т. 1. Физическая оптика океана — 371 с.; Т. 2. Прикладная оптика океана — 236 с.

21. Тен Г.Н., Глухова О.Е., Слепченков М.М., Щербакова Н.Е., Баранов В.И. Теоретическое исследование влияния воды на структуру и спектры флуоресценции L-триптофана // Оптика и спектроскопия. 2016. Т. 121, № 4. C. 655–662. doi:10.7868/S0030403416100263

22. Горшкова О.М., Панаева С.В., Федосеева Е.В. и др. Флуоресценция растворенного органического вещества природной воды // Вода: Химия и экология. 2009. Т. 11, № 17. С. 31–37.

23. Joseph J. Extinction measurements to indicate distribution and transport of water masses // Proceedings UNESCO Symposium on Physical Oceanography Tokyo. 1955. P. 59–75.

24. Kalle K. Zum problem der meereswasser farbe // Ann. Hydrol. Mar. Mitt. 1938. Vol. 66. P. 1–13.

25. Кононович С.И., Науменко Е.К., Плюта В.Е. Исследование информативности спектров яркости выходящего излучения относительно содержания рассеивающих и поглощающих компонентов морской воды // Журнал прикладной спектроскопии. 1988. Т. 48, № 1. С. 127–133.

26. Скопинцев Б.А. Современные достижения в изучении органического вещества вод океанов // Океанология. 1971. Т. 11, № 6. С. 939–956.

27. Oestreich W.K., Ganju N., Pohlman J. et al. Colored dissolved organic matter in shallow estuaries: relationships between carbon sources and light attenuation // Biogeosciences. 2016. Vol. 13, N 2. P. 583–595. doi:10.5194/bg-13-583–2016

28. Акулова О.Б., Букатый В.И., Попов К.П. Содержание растворённого органического вещества в водоёмах разного трофического уровня // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2017. № 3(149). С. 100–106.

29. Glukhovets D.I., Goldin Y.A. Express method for chlorophyll concentration assessment // Journal of Photochemistry and Photobiology. 2021. Т. 8. P. 100083. doi:10.1016/j.jpap.2021.100083

30. Моисеева Н.А., Чурилова Т.Я., Ефимова Т.В., Маторин Д.Н. Коррекция тушения флуоресценции хлорофилла-а в верхнем перемешанном слое моря: разработка алгоритма // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 1(211). С. 66–74. doi:10.22449/0233-7584-2020-1-66-74

31. Carberry L., Roesler C., Drapeau S. Correcting in situ chlorophyll fluorescence time-series observations for nonphotochemical quenching and tidal variability reveals nonconservative phytoplankton variability in coastal waters // Limnology and Oceanography Methods. 2019. Vol. 17. P. 462–473. doi:10.1002/lom3.10325

32. Никонова Е.Э., Тихонова Т.Н., Давыдов Д.А., Фадеев В.В. Применение метода индукции и релаксации флуоресценции (FIRe) для мониторинга вредоносных цветений фитопланктона // Современные проблемы гидрометеорологии и устойчивого развития Российской Федерации. 2019. С. 825–826.

33. Патент № 2775809 C1 Российская Федерация, МПК G01N21/64. Способ определения концентрации фотопигментов фитопланктона, растворённого органического вещества и размерного состава взвеси в морской воде in situ: № 2021124358: заявл. 13.08.2021: опубл. 11.07.2022 / М. Е.Г. Ли, О.Б. Кудинов; заявитель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Морской гидрофизический институт РАН».

34. Steffens J., Landulfo E., Courrol L., Guardani R. Application of fluorescence to the study of crude petroleum // Journal of Fluorescence. 2011. Vol. 21. P. 859–864. doi:10.1007/s10895-009-0586-4

35. Hadi N.M., Mohammed A.Z., Rasheed F.F., Younis S.I.. Determination of absorption and fluorescence spectrum of Iraqi Crude oil // American Journal of Physics and Applications 2016. Vol. 4, Iss. 3. P. 78–83. doi:10.11648/j.ajpa.20160403.12

36. Кудинов О.Б., Латушкин А.А. Универсальный автономный накопитель для повышения оперативности гидрооптических исследований in situ // Процессы в геосредах. 2018. № 3 (17). С. 74–75.

37. Кудинов О.Б., Мартынов О.В., Ли Р.И. Зондирующий спектральный измеритель флюоресценции и рассеяния, испытания в лабораторных и полевых условиях // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 2. С. 82–87. doi:10.7868/S2073667320020100

38. Kudinov O.B., Sysoev A.A., Latushkin A.A., Ryabokon D.A., Sysoeva I.V. “Optical and biological research of fluorescence fields in the Black Sea in autumn 2020” // Proceedings SPIE11916, 27th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics, 119163K (15 December 2021). doi:10.1117/12.2603332

39. Кудинов О.Б., Латушкин А.А., Ли Р.И. и др. Вертикальное распределение биооптических характеристик северной части Чёрного моря в осенний период 2020 г. // Современные проблемы оптики естественных вод: Труды XI Всероссийской конференции с международным участием, Санкт-Петербург, 29 сентября — 01 октября 2021 г. Санкт-Петербург: Химиздат, 2021. С. 125–130.

40. Poryvkina L., Babichenko S., Leeben A. Analysis of phytoplankton pigments by excitation spectra of fluorescence // EARSeL-SIG-Workshop LIDAR. Institute of Ecology/LDI, Tallinn, Estonia. 2000. С. 224–232.

41. Копелевич О.В. Оптические свойства океанской воды: дис. … д-ра физ.-мат. наук: 11.00.08. Москва, 1981. 613 с.