всероссийский научно-практический журнал
  • ISSN 2072-8158
  • -
  • Роспечать: 48626
  • Пресса России: 44722

Обзор существующих оптических методов определения in situ пигментного состава фитопланктона

Опубликовано в журнале «Вода: химия и экология» № 11 за 2015 год, стр. 35-43.
Рубрика: Научно-аналитические обзоры

 

Погосян С.И. доктор биологических наук, профессор биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
Зайцева А.Ф. аспирант кафедры биофизики Биологического факультета, ФГБОУ ВПО Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Аннотация:
Продукция, биомасса и видовой состав фитопланктона являются важнейшими параметрами, характеризующими состояние водоема. В качестве показателя биомассы фитопланктона чаще всего используют содержание фотосинтетических пигментов. Разнообразие пигментного состава различных систематических отделов водорослей позволяет определять обилие таксономических групп фитопланктонного сообщества. Существующие методы определения пигментного состава фитопланктона не полностью удовлетворяют современным требованиям гидробиологических исследований.
В обзоре проведен критический анализ существующих оптических методов определения in situ пигментного состава фитопланктона. Рассмотрены абсорбционные методы определения пигментного состава фитопланктона в вариантах прямого измерения и при осаждении взвешенных частиц на фильтры. Большое внимание уделено определению пигментного состава водорослей при измерении поглощения света внутри интегрирующей сферы. Проведен анализ флуоресцентных методов оценки таксономического состава и состояния фотосинтетического аппарата фитопланктона. В заключении подведен итог многолетних поисков, доступных методов адекватно отражающих содержание пигментов в клетках фитопланктонных организмов.

Ключевые слова: биомасса, методы определения, пигменты, фитопланктон

Ссылка для цитирования:
Погосян С.И. , Зайцева А.Ф. Обзор существующих оптических методов определения in situ пигментного состава фитопланктона // Вода: химия и экология. — 2015. — № 11. — c. 35-43. — http://watchemec.ru/article/27674/

Литература:
1. Кобленц-Мишке О.И. Первичная продукция / О.И. Кобленц-Мишке, В.И. Ведерников // В кн. Биология океана, Т. 2. 1977. М.: Наука. С. 183-209.
2. Минеева Н.М. Растительные пигменты как показатели биомассы фитопланктона // Альгология. 2011. № 3. C. 385-396.
3. Montagnes D.J.S. Estimating C, nitrogen, protein and chlorophyll a from volume in marine phytoplankton / Montagnes D.J.S., Berges D.A., Harrison P.A., Taylor F.J.R. // Limnology and Oceanography 1994. V. 39 P. 1044–1060.
4. Duysens L.N.M. The flattening of the absorption spectrum of suspensions as compared to that of solutions// Biochimica et Biophysica Acta 1956. V. 19 P. 1–12.
5. Hoepffner N. Bio-optical characteristics of coastal waters: Absorption spectra of phytoplankton and pigment distribution in the western North Atlantic / Hoepffner N., Sathyendranath S. // Limnology and Oceanography 1992 V. 37 P. 1660 – 1679.
6. Hoepffner N. Effect of pigment composition on absorption properties of phytoplankton / Hoepffner N., Sathyendranath S. // Marine Ecology Progress Series 1991. V.73 P.11–23.
7. Nelson, J. R. Detrital spectral absorption: Laboratory studies of visible light effects on phytodetritus absorption, bacterial spectral signal, and comparison to field measurements / Nelson, J. R., Robertson C. Y. // Journal of Marine Research1993. V. 51 P.181–207.
8. Sathyendranath S. Variations in the spectral values of specific absorption of phytoplankton / Sathyendranath S., Lazzara L., Prieur L. // Limnology and Oceanography 1987. V. 32 № 2 P. 403-415.
9. Geider R.J. Light absorption by a marine diatom: experimental observations and theoretical calculations of the package effect in small Thalassiosira species / Geider R.J., Osborne B.A. // Marine Biology 1987. V. 96 P. 299-308.
10. Kirk J.T.O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems // second edition Cambridge University Press. 1994. 662 p.
11. Arbones J. Determination of phytoplankton absorption coefficient in natural seawater samples: evidence of a unique equation to correct the pathlength amplification on glass-fiber filters / Arbones J., Figueiras F., Zapata M. // Marine Ecology Progress Series. 1996. V. 137. P. 293-304.
12. Bricaud A.Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: Analysis and parameterization / Bricaud A., Babin, M., Morel A., Claustre H.// Journal of Geophysical Research. 1995. V. 100. № C7. P. 13321–13332.
13. Cleveland J.S. Regional models for phytoplankton absorption as a function of chlorophyll a concentration // Journal of Geophysical Research 1995. V.100 № C7 P. 13333-13344.
14. Bricaud, A. Variations of light absorption by suspended particles with the chlorophyll a concentration in oceanic(Case 1) waters: analysis and implications for bio-optical models / Bricaud, A., Morel A., Babin M., Allali K., Claustre H. // Journal of Geophysical Research. 1998. V. 103 № C13, P. 31033-31044.
15. Ciotti Á.M. A semi-analytical model of the influence of phytoplankton community structure on the relationship between light attenuation and ocean colour / Ciotti Á.M., Cullen J.J., Lewis M.R. // Journal of Geophysical Research 1999. V. 104 P. 1559–1578.
16. Sakshaug E. Parameters of photosynthesis: definitions, theory and interpretation results / Sakshaug E., Bricaud A., Dandonneau Y., Falkowski P. G., Kiefer D. A., Legendre L., Morel A., Parslow J., Takahashi M. // Journal Of Plankton Research `1997. V. 19 № 1 P. 1637–1670.
17. Allali A. Spatial variations in the chlorophyll-specific absorptions coefficients of phytoplankton and photosynthetically active pigments in the equatorial Pacific / Allali A., Bricaud K., Claustre H. // Journal of Geophysical Research 1997. V. 102 P. 12413 – 12423.
18. Babin, M. Remote sensing of sea surface sun-induced chlorophyll fluorescence: consequences of natural variations in the optical characteristics of phytoplankton and the quantum yield of chlorophyll a fluorescence / Babin, M., Morel A., Gentil Bi. // International Journal of Remote Sensing. 1996. V. 17 P. 2417-2448.
19. Lazzara L. Spectral absorption and fluorescence excitation properties of phytoplanktonic populations at a mesotrophic and oligotrophic site in the tropical North Atlantic (EUMELI Program) / Lazzara L., Bricaud A., Claustre H. // Deep-Sea Research, Patr I. 1996. V. 43 P. 1215-1240.
20. Stuart V. Pigment and species composition of natural phytoplankton populations: effect on the absorption spectra / Stuart V., Sathyendranath V.S., Platt T., Maass H., Irwin B.D. // Journal Of Plankton Research 1998. V. 20 P. 187–217.
21. Bricaud A., Morel A., Prieur L. Optical efficiency factors of some phytoplankters /Bricaud A., Morel A., Prieur L. // Limnology and Oceanography. 1983 V. 35 P. 562–582.
22. Merzlyak M.N. On recording the true absorption spectrum and the scattering spectrum of a turbid sample: application to cell suspensions of the cyanobacterium Anabaena variabilis / Merzlyak M.N., Naqvi K.R. // Journal of Photochemistry and Photobiology. (B). 2000. V. 58 №2 P. 123-129.
23. Mitchell B.G. Algorithms for determining the absorption coefficient of aquatic particulates using the quantitative filter technique [QFT] // Ocean Optics X. Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. (SPIE). 1990. V. 1302 P. 137–148.
24. Ryther J.H. The estimation of phytoplankton production in the ocean from chlorophyll and light data / Ryther J.H., Yentsch C.S. // Limnology and Oceanography 1957. V. 2 P. 281-286.
25. Tassan S. An alternative approach to absorption measurements of aquatic particles retained on filters / Tassan S., Ferrari G.M. // Limnology and Oceanography 1995. V. 40 № 8 P. 1358-1368.
26. Yentsch C. S. Measurement of visible light absorption by particulate matter in the ocean // Limnology and Oceanography 1962. V. 7 P. 207–217.
27. Canuti E., van der Linde D. W. Measuring the Absorption Coefficient of Aquatic Particles Retained on Filter Using a Photo-Oxidation Bleaching Technique. 2006. 13 p.
28. Kishino M. Estimation of the spectral absorption coefficients of phytoplankton in the sea / Kishino M., Takahashi N., Okami N., Ichimura S. // Buletin of Marine Science. 1985. V. 37 P. 634-642.
29. Butler W. L. Absorption of light by turbid materials // Journal of the Optical Society of America. 1962 V. 52. P. 292-299.
30. Kiefer D.A. Spectral absorption by marine particles of coastal waters of Baja California / Kiefer D.A., Soo Hoo J.B. // Limnology and Oceanography 1982 V. 27. P. 492-499.
31. Mitchell B.G. Variability of particulate spectral absorption coefficients in the Eastern Pacifc Ocean / Mitchell B.G., Ituriaga R., Kiefer D.A.// Ocean Optics VI, M. Blizard editor, SPIE, Belingham, WA. 1984. P. 13-18.
32. Mitchell B.G. Chlorophyll, specific absorption and fluorescence excitation spectra for light-limited1 phytoplankton / Mitchell B.G., Kiefer D.A. // Deep-Sea Research. 1988a. V. 35 P. 639-663.
33. Lewis M. R. Absorption and photosynthetic action spectra for natural phytoplankton populations: Implications for production in the open ocean / Lewis M. R., Warnock R. E., Plat T. // Limnology and Oceanography/ 1985. V. 30 P. 794-806.
34. Mitchell B.G. Variability in pigment specific particulate fluorescence and absorption spectra in the North Eastern Pacifc Ocean / Mitchell B.G., Kiefer D.A. // Dep-Sea Research. 1988b. V. 35 P. 65-69.
35. Kiefer D.A. Reflectance spectroscopy of marine phytoplankton. Part1. Optical properties as related to age and growth rate / Kiefer D.A., Olson R.J., Wilson W.H. // Limnology and Oceanography. 1979. V. 24, P. 64-672.
36. Tassan S. Variability of light absorption by aquatic particle in the near-infrared spectral region / Tassan S., Ferrari G.M. // Applied Optics 2003. V. 42 P. 4802-4810.
37. Ferrari G. M., Evaluation of the influence of yellow substance absorption on the remote sensing of water quality in the Gulf of Naples: A case study / Ferrari G. M., Tassan S. // International Journal of Remote Sensing 1992. V. 13(12). P. 2177- 2189.
38. Maske H. Quantitative in vivo absorption spectra of phytoplankton: detrital absorption and comparison with fluorescence excitation spectra / Maske H., Haardt H. // Limnology and Oceanography 1987. V. 32 P. 620-633.
39. Pope R.M. Integrating cavity absorption meter measurements of dissolved substances and suspended particles in ocean water / Pope R.M., Weidemann A.D., Fry E.S. // Dynamics of Atmospheres and Oceans 2000. V. 31 P. 307-320.
40. Röttgers R. Determination of the particulate absorption of microalgae using a point-source integrating-cavity absorption meter: verification with a photometric technique, improvements for pigment bleaching, and correction for chlorophyll fluorescence. / Röttgers R., Häse C., Doerffer R. // Limnology and Oceanography 2007. V. 5, P. 1–12.
41. Röttgers R. Measurement of light absorption by aquatic particles: improvement of the quantitative filter technique by use of an integrating sphere approach / Röttgers R., Gehnke S. // Applied Optics 2012. V. 51 P.1336-1351.
42. Stramski D. Variations in the optical properties of terrigeneous mineral-rich particulate matter suspended in seawater / Stramski D., Babin M., Wozniak S. // Limnology and Oceanography 2007. V. 52 P. 2418-2433.
43. Stramski D. Optical properties of Asian mineral dust suspended in seawater / Stramski D., Wozniak S.B., Flatau P.J. // Limnology and Oceanography 2004. V. 49 P. 749-755.
44. Jaґvorfi T. Quantitative spectrophotometry using integrating cavities / Jaґvorfi T., Erostyaґk J., Gaґl J., Buzaґdy A., Menczel L., Garab G., Naqvi K.R. // Journal of Photochemistry and Photobiology. (B). 2006. V. 82. P. 127–131.
45. Погосян С.И. Абсорбционная спектроскопия микроводорослей, цианобактерий и растворенного органического вещества: измерения во внутренней полости интегрирующей сферы / С.И. Погосян, А.М. Дургарян, И.В. Конюхов, О.Б. Чивкунова, М.Н. Мерзляк // Океанология. 2009. Т. 49. № 6. С. 934-939.
46. Fry E.S. Integrating cavity absorption meter / Fry E.S., Kattawar G.W., Pope R. // Applied Optics 1992. V. 31. P. 2055-2065.
47. Kirk J.T.O. Point-source integrating-cavity absorption meter: theoretical principles and numerical modeling // Applied Optics 1997. V. 36, P. 6123–6128.
48. Röttgers, R. Practical test of a point-source integrating-cavity absorption meter: the performance of different collector assemblies / Röttgers, R., Schönfeld W., Kipp P.-R., Doerffer R. // Applied Optics 2005. V. 44, P. 5549–5560.
49. Erostyák J. Comparative study of integrating cavity absorption meters / Erostyák J., Jávorfi T., Buzády A., Naqvi K.R, Garab G. // Journal of Biochemical and Biophysical Methods 2006. V. 69. P. 189–196.
50. Pope R.M. Integrating cavity absorption meter; measurement results / Pope R.M., Fry E.S, Montgomery R.L., Soganders F. // SPIE. (Ocean optics X). 1990. V. 1302 P. 165–186.
51. Wilhelm C. Photophysiology and primary production of phytoplankton in freshwater / Wilhelm C., Becker A., Toepel J., Vieler A., Rautenberger R. // Physiologia Plantarum. 2004. V. 120, P. 347–357.
52. Cleveland J.S. Spectral absorption coefficients measured with an integrating cavity absorption meter / Cleveland J.S., Pope R.M., Fry E.S. // SPIE, 1990, V. 1302 (Ocean optics X), P. 176 – 186.
53. Bricaud A. Absorption by dissolved organic matter of the sea (yellow substance) in the UV and visible domains / Bricaud A., Morel, A., Prieur L. // Limnology and Oceanography. 1981. V. 1. P. 43–53.
54. Merzlyak M.N. Effect of Nitrogen Starvation on Optical Properties, Pigments and Arachidonic Acid Content of the Unicellular Green Alga Parietochloris incisa (Trebouxiophyceae, Chlorophyta) / Merzlyak M.N., Chivkunova O.B., Gorelova O.A., Reshetnikova I.V., Solovchenko A.E. // Journal of Phycology. 2007. V. 43. P. 833–843.
55. Osborne B.A. Light Absorption by Plants and Its Implication for Photosynthesis / Osborne B.A., Raven J.A. // Biological Reviews 1986. V. 61. P. 1–61.
56. Гаевский Н.А. Флуоресцентный анализ пигментов фитопланктона / Н.А. Гаевский, В.М. Гольд, И.Ю. Шатров // Методические вопросы изучения первичной продукции планктона внутренних водоемов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. С. 101-109.
57. Гольд В.М. Опыт использования флуоресценции для дифференциальной оценки содержания хлорофилла a у планктонных водорослей / В.М. Гольд, Н.А. Гаевский, И.Ю. Шатров и др. // Гидробиология. 1986. Т. 22, № 3. С. 80—85.
58. Маторин Д.Н. Определение состояния растений и водорослей по флуоресценции хлорофилла / Д.Н. Маторин, В.А. Осипов, О.В. Яковлева, С.И. Погосян // М.: МАКС Пресс, 2010. 117 с.
59. Yentsch C. S. Fluorescence spectral signatures: The characterization of phytoplankton populations by the use of excitation and emission spectra / Yentsch C. S., Yentsch C. M. // Journal of Marine Research 1979. V. 37. P. 471-483.
60. Beutler M. A fluorimetric method for the differentiation of algal populations in vivo and in situ / Beutler M., Wiltshire K. H., Meyer B., Moldaenke C., Lüring C., Meyerhöfer M., Hansen U.-P., Dau H. A // Photosynthesis Research. 2002. V. 72 P. 39-53.
61. Beutler M. Entwicklung eines Verfahrens zur quantitativen Bestimmung von Algengruppen mit Hilfe computergestützter Auswertung spektralaufgelöster Fluoreszenzanregungsspektren. Diplomarbeit. Univ. Kiel, Kiel, 1998. 92 p.
62. Leboulanger C. Application of a submersible spectrofluorometer for rapid monitoring of freshwater cyanobacterial blooms: A case study / Leboulanger C., Dorigo U., Jacquet S., Le Berre B., Paolini G., Humbert J. // Aquatic Microbial Ecology. 2002. V. 30 P. 83-89.
63. Beutler M. Spectral fluorescence of chlorophyll and phycobilins as an in-situ tool of phytoplankton analysis – models, algorithms and instruments. Dissertation work. Univ. Kiel, 2003. 170 p.
64. Конюхов И.В. Опыт непрерывного флуориметрического мониторинга фитопланктона на буйковой станции / И.В. Конюхов, М.С. Селина, Т.В. Морозова, С.И. Погосян // Океанология. 2012. Т. 52. № 1. С. 139-149.