Отбор и обработка проб фитопланктона на определение хлорофилла

Почти с самого начала изучения первичной продукции исследователи различали «валовую первичную продукцию» (англ.: Gross Primary Production - GPP) и «чистую первичную продукцию» (англ.: Net Primary Production - NPP). Валовая продукция – это общее количество органического вещества, образованного организмом-продуцентом, а чистая продукция – это валовая продукция за вычетом трат самого продуцента на дыхание. Иными словами: NPP = GPP – R, где R – траты на дыхание. Реальный прирост массы продуцентов – это и есть чистая первичная продукция. Именно это вещество и может использоваться потребителями, именно оно и создает основу для поддержания всей трофической цепи.

В настоящее время гидробиология не располагает безупречной методикой измерения первичной продукции в водной среде и в системе допущений, принятых для расчета различных видов продукции, есть много неточностей, свидетельствующих о наличие практически непреодолимых трудностей, связанных с объективной сложностью природных экосистем. Вследствие этого, все получаемые оценки продукции следует считать приближенными и даже ориентировочными.

 

1.   Кислородный режим

 

Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхностных водах. Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характеризует кислородный режим водоема и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Уменьшение количества кислорода отрицательно сказывается на ходе биохимических процессов в водоеме. Потребление кислорода обусловлено также химическими процессами окисления содержащихся в воде примесей, а также дыханием водных организмов.

Сравнительно легкое и быстрое окисление органического вещества и является причиной резких суточных колебаний в количестве растворенного в воде кислорода.

Процесс потребления кислорода на окисление органических загрязнений в водоемах сопровождается систематическим пополнением его количества, за счет растворения, через поверхность зеркала воды, т. е. путем реаэрации. Одновременно с реаэрацией пополнение запасов кислорода происходит при помощи фотосинтеза в процессе усвоения углерода из находящейся в воде водоема растворенной углекислоты зелеными водными растениями на свету с выделением свободного кислорода.

 

Растворимость его в воде более высокая из-за парциального давления, которое выше атмосферного. Процесс фотосинтеза, являясь очень сложным, находится в зависимости от ряда факторов, усиливающих или угнетающих его. Поступление кислорода в воду водоема в летний и осенний периоды бывает настолько значительным (1,26—10,04 г/м3 в сутки), что фотосинтез играет главную роль в насыщении воды водоема кислородом в эти периоды. Однако фотосинтез не является постоянным источником насыщения воды кислородом, так как действие его преимущественно в летний и осенний периоды и поэтому он не может приниматься в расчет годового баланса кислородного режима водоема.

Растворение кислорода в воде водоема характеризуется уравнением:

 (1)

где Dt — дефицит кислорода в воде водоема через t суток, мг/л;

Da — начальный дефицит кислорода  в воде, мг/л;

k2 — константа реаэрации кислорода  в воде, зависящая от условий  и скорости перемешивания воды, формы потока, скорости течения, температуры воды 

 

 

 

 

2.   Кислородная модификация метода склянок

 

Первоначально, широко распространенным и традиционным методом определения первичной продукции фитопланктона являлась кислородная модификация метода склянок. Кислородный метод определения первичной продукции (ПП) основан на измерении количества выделенного в процессе фотосинтеза кислорода, которое пропорционально образовавшемуся органическому веществу. Однако, следует учитывать, что, по-видимому, не существует строгих постоянных соотношений между образованием первичного органического вещества, потреблением углекислоты и выделением кислорода в процессе фотосинтеза. Повышение точности измерений количества поглощенной в процессе фотосинтеза углекислоты и выделенного кислорода не повышает надежности оценок ПП органического вещества, т.к. при пересчете значений регистрируемых показателей неопределенность стехиометрических соотношений в балансовом уравнении фотосинтеза не устраняется. Вместе с тем, использование одних и тех же модификаций скляночного метода для определения значений первичной продукции позволяло производить различного рода сопоставления продуктивности фитопланктона в различных районах Мирового океана и оценки состояния природных морских экосистем. В связи с вышеизложенным, значения ПП органического вещества чаще всего выражают в единицах кислорода или единицах углерода, при этом возможен перевод одних показателей в другие.

Однако следует сделать вывод, что кислородный метод измерений первичной продукции органического вещества менее чувствителен по сравнению с используемой практически повсеместно радиоуглеродной модификацией метода склянок. Тем не менее, он хорошо зарекомендовал себя для исследований проводимых мезо- и эвтрофных районах моря, однако в малопродуктивных (олиготрофных) зонах океана кислородный метод практически неприменим. К несомненным достоинствам этого метода следует также отнести возможность определения как чистой, так и валовой первичной продукции. При этом кислородная модификация метод склянок довольно проста и не требует специально оборудования.

 

 

 

 

 

3.    Радиоуглеродный метод определения первичной продукции (модификация метода склянок)

 

Принцип определения первичной продукции радиоуглеродным методом основан на допущении, согласно которому внесенный в склянки меченый углерод включается в процессы фотосинтеза органического вещества с той же скоростью , что и не меченный изотоп углерода С14. В настоящее время радиоуглеродный метод является наиболее распространенным классическим методом определения первичной продукции (ПП) как в морях, так и в пресных водоемах. Полученная радиоуглеродным методом оценка ПП не может быть безоговорочно отнесена ни к валовой, ни к чистой продукции. Однако, установлено, что при краткосрочных экспозициях склянок (2-4 часа) радиоуглеродный метод дает значения продукции, близкие к валовой, а при длительных (12-24 часа) - близкие к чистой. Следует отметить, что экспозиция склянок в течение суток приемлема только в умеренных и холодных водах при очень низких уровнях фотосинтеза, в тропических и продуктивных водах экспозиция проб не должна превышать 6-10 часов. Определения первичной продукции радиоуглеродным методом осуществляется по стандартной схеме: отбор проб, добавление изотопа, экспозиция, фильтрация и определение радиоактивности фильтров.

В последние годы разработаны и внедрены в практику работ электрохимические методы определения кислорода в воде для оценки ПП на основе погружаемых датчиков. Однако повсеместное внедрения этих приборов в практику работ еще не произошло из-за высокой стоимости систем и отсутствия серийного выпуска отечественной аппаратуры.

 

 

4.   Определение первичной  продукции и деструкции                    органического вещества

 

Отбор продукционно-деструкционных проб следует производить ежемесячно в течение вегетационного периода (с мая по октябрь). Перед работой склянки должны быть тщательно вымыты и высушены. В точке отбора проб измеряется прозрачность воды. Пробы отбираются батометром или ведром с разметочной веревкой до глубины утроенной прозрачности. Берется 1 л с каждого горизонта (горизонтов обычно 6 – через каждые 0,5 м от поверхностного слоя ). Глубина утроенной прозрачности соответствует нижней границе фотического слоя (в котором активно идет фотосинтез), где первичная продукция равна деструкции. Вода с каждого горизонта сливается в ведро по стенке для предотвращения ее насыщения кислородом из воздуха. Затем из смешанной воды заполняются три склянки. Склянки при заполнении должны быть погружены в воду, чтобы исключить попадание в них пузырьков воздуха. Две склянки оставляют на сутки в ведре, погруженном в воду в месте отбора пробы. Причем одну склянку подвешивают на поверхности ведра, чтобы она освещалась солнцем, а другую заворачивают в темный мешок и опускают на дно ведра – туда не должен проникать солнечный свет. В 3-й склянке проба сразу же фиксируется: добавляются поочередно 1 мл MnCl2 и 1 мл щелочного раствора KI. Необходимо пользоваться разными пипетками. При этом в склянке происходит взаимодействие в щелочной среде гидроокиси марганца с растворенным в воде кислородом. На дне склянки образуется осадок из йода, количество которого эквивалентно содержанию растворенного в воде кислорода и учитывается титрованием раствора тиосульфата. Осадок должен отстояться не менее 10 минут, затем в склянку добавляют 5 мл раствора HCl для его растворения. При этом часть жидкости сливается через край, что не имеет значения для определения. Склянку закрывают пробкой и содержимое тщательно перемешивают. Осадок гидроксида марганца, выпавший в щелочной среде, растворяется, окисляет йодид-ион до йода, который окрашивает раствор в желтый цвет. Затем отбирают 50 мл раствора и переносят его в коническую колбу объемом 250 мл. Затем раствор титруют тиосульфатом натрия до светло-желтого цвета, непрерывно помешивая. Далее прибавляют 1 мл 0,5% раствора крахмала и продолжают титровать до исчезновения синей окраски.

Объем тиосульфата, пошедшего на титрование, записывают и далее рассчитывают кислород:

                                                                                                      (1)

Где n – количество тиосульфата, пошедшего на титрование,

N – нормальность тиосульфата с учетом поправки (нормальный раствор – раствор, 1л которого содержит 1 г-экв. растворенного в-ва – 1н.;

г-экв. – количество граммов в-ва, присоединяющее 1г-атом водорода – 1.008г или 0,5г-атома кислорода – 8 г);

8 – эквивалентная масса кислорода,

1000 – пересчет на 1л пробы,

50 – объем раствора. По такой же схеме определяют содержание кислорода через сутки в светлой и темной склянках.

 

 

 

2.5    Расчёт первичной продукции и деструкции органического вещества.

 

 

 

 

(1)

 

где  Р - продукция, [мг орг. в-ва/л сутки],

0.75 - коэффициент пересчёта  из единицы измерения мг О2/л сутки в  единицу измерения мг орг. в-ва/л сутки,

 О2св. – О2т.  - [мг О2/л сутки].

                                              

 

 

Где D – деструкция.

 

(2)

 

 

 

     (3)

 

 Где Р - продукция, [мг орг. в-ва/л сутки],

                           

D – деструкция.

 

 

     (4)

 

где Р - продукция, [мг орг. в-ва/л сутки],

3 – коэффициент прозрачности.

Поскольку источником углерода для автотрофных организмов служит, как правило диоксид углерода СО2 , то первичную продукцию в настоящее время чаще всего оценивают в количестве углерода, связанного за определенное время наземной растительностью или океаническим (озёрным) фитопланктоном в расчете на единицу площади. В случае фитопланктона, характеризующегося высокой скоростью образования органического вещества в расчете на единицу биомассы, первичную продукцию оценивают для небольших промежутков времени, чаще всего для суток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Гидробиологические показатели характеризуют :

 

 

 

Хлорофилл a :

 

 

 

 

 

Новообразование органического вещества в водоеме :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. ГОСТ 17.1.4.02−90 .
2. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем. Под. ред. В.А.Абакумова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 318 с.
3. Научные основы контроля качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 228 с.
4. Научные основы контроля качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 232 с.
5. Общая гидробиология. Константинов А.С.. М.: Высшая школа, 1967. 490 с.
6. Гольд В.М., Гаевский Н.А., Григорьев Ю.С., Попельницкий В.А., Гехман А.В.. Теоретические основы и методы изучения флуоресценции хлорофилла: Учеб. пособие - Красноярск: изд-во КГУ, 1984. - 82 с.
7. А.К.Тыныбеков, Ж.Э. Куленбеков, М.С. Алиев. Экспериментальное измерение фитопланктона оз. Иссык-Куль. Международная научно-техническая конференция «Инновации в образовании, науке и технике». Известия КГТУ. №9. 2006. c. 89-93.
8. Шишкин А.И..Лекции по дисциплине экологический мониторинг.