延遲熒光技術及其在活體浮游植物測量中的應用

 

摘要：本文介紹了一種活體浮游植物在線監(jiān)測技術——延遲熒光測量技術及基于延遲熒光技術的DF藻類延遲熒光測量系統(tǒng)�；铙w藻類監(jiān)測技術通過在線監(jiān)測藻類的延遲熒光，自動記錄活的浮游植物的生物量和組成，適用于浮游植物的自動在線持續(xù)監(jiān)測。結合其他系統(tǒng)所測得的生態(tài)因子參數(shù)，分析浮游植物的季節(jié)變化模式，作為動態(tài)變化環(huán)境的函數(shù)。最終建立隨季節(jié)而變化的生態(tài)因子和浮游植物生長之間的函數(shù)關系，可以充分地模擬各種水華的過程，從而達到預防水華發(fā)生的目的。本文還通過DF藻類延遲熒光測量系統(tǒng)舉例說明延遲熒光技術在實際湖體監(jiān)測中的應用。

關鍵詞：活體浮游植物；水華；延遲熒光；在線監(jiān)測

當一個流域的水流匯集到某一區(qū)域，隨著水流的減慢，營養(yǎng)物質(zhì)逐漸富集，在適宜的光照和溫度下可以監(jiān)測到藻類明顯的增長，極易造成水華。因此，水華的形成是由活體藻類的大量繁殖引起，并受水體溫度，營養(yǎng)鹽含量，輻射等環(huán)境因素的影響。當前，我國主要江河、湖泊水體的水質(zhì)總體上呈惡化趨勢，水華事件頻發(fā)，水質(zhì)監(jiān)測任務十分繁重。

植物利用光能，合成自身生長所需的化合物，并維持新陳代謝的進行。植物體內(nèi)的天線色素接收太陽光，將光能轉(zhuǎn)化成化學能。葉綠素在光合過程中起關鍵作用，和某些物質(zhì)一樣，在光照條件下能夠釋放出光，這種光叫做熒光。在活的植物體內(nèi)，激發(fā)態(tài)和短暫的暗適應后都能釋放出熒光，前者釋放直接熒光，后者釋放延遲熒光。

近20年來，出現(xiàn)了大量基于熒光理論的浮游植物監(jiān)測儀器，大多是用于快速熒光的測量（Istvánovics et al. 2005）。Kautsky和Hirsch 早在1931年，就將快速熒光監(jiān)測用于浮游植物的研究中。然而，快速熒光技術測量的是所有能釋放熒光的物質(zhì)，包括死的浮游植物和腐殖質(zhì)。

本文介紹一種活體藻類檢測技術——延遲熒光技術，以及活體浮游植物及生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)（DF）。延遲熒光技術能夠排除浮游植物和腐殖質(zhì)對測量結果的影響，使水華的預測和防治更加快速有效。

[1]

 

除了快速熒光，當植物由光照條件轉(zhuǎn)到暗處時也會釋放出熒光，這種熒光更微弱，持續(xù)時間更長，稱為延遲熒光(DF)，由Strehler 和 Arnold (1951)發(fā)現(xiàn)。盡管延遲熒光發(fā)現(xiàn)得也很早，但一直沒有被重視。Volkmar Gerhardt和他的合作者（1981）最早研究出了延遲熒光光譜技術。這種技術與快速熒光技術相比，具有明顯的優(yōu)勢。

延遲熒光由電子逆流導致的點和重組產(chǎn)生(Gerhardt & Bodemer, 2000)，因此，只有具有光合活性的細胞才能產(chǎn)程延遲熒光，即延遲熒光是活細胞光合的專屬特性，是光合效率的指示指標。延遲熒光技術可有效屏蔽再懸浮、死的生物和腐殖質(zhì)對測量精度的干擾，其他熒光測量技術無法實現(xiàn)。延遲熒光技術和普通快速熒光技術的這一不同，對淺水湖或河流能起到?jīng)Q定性的作用，特別是那些經(jīng)常發(fā)生再懸浮和洪浪而將一定量的退化藻類或沒有光合功能的藻類帶入水體的區(qū)域。因此，延遲熒光技術逐漸成為目前水華監(jiān)測的研究熱點。

活體浮游植物及生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)（DF）基于延遲熒光技術，可進行延遲熒光兩個方面的測量：延遲熒光動力學特征，即延遲熒光的消亡過程；延遲熒光光譜，即DF₀隨不同激發(fā)光源波長的變化。這兩個測量方法分別用于測量活體藻類的生物量及組成（系統(tǒng)工作流程如圖1所示）。

                                   

   

 

活體浮游植物及生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)（DF）用于在線監(jiān)測藻類的延遲熒光，并自動記錄活的浮游植物光合的生物量和組成，適用于天然浮游植物數(shù)量的持續(xù)和在線監(jiān)測（系統(tǒng)在線監(jiān)測如圖2所示）。

          

                           

 

結合其他水文、氣象與光學等水體生態(tài)因子，分析浮游植物的季節(jié)變化模式，作為動態(tài)變化環(huán)境的函數(shù)。最終建立隨季節(jié)而變化的生態(tài)因子和浮游植物生長之間的函數(shù)關系，可以充分地模擬各種水華的過程，精確探測藻類和水華的形成和消亡，從而達到預防水華發(fā)生的目的^[1]。

2003-2004年對巴拉頓湖區(qū)的水生態(tài)因子，如水溫、總輻射、光線垂直衰減、內(nèi)部P負荷等進行監(jiān)測，并以天為單位，使用DF藻類延遲熒光測量系統(tǒng)對藍藻、綠藻、硅藻和隱藻4種藻類進行監(jiān)測，利用所得數(shù)據(jù)分析浮游植物的季節(jié)變化模式，模擬各種水華的發(fā)生過程。實驗結果表明，以上所測數(shù)據(jù)可以足夠地模擬各種水華的形成和衰敗。

DF藻類延遲熒光測量系統(tǒng)能夠測量4種浮游植物分類（可擴展到6種）及生物量，可選增強型群落識別及光合速率-光曲線；其檢測限為0.1 μg Chl/L，采樣頻率達6-10次/小時，可野外自動在線測量或便攜測量。

 

DF藻類延遲熒光測量系統(tǒng)對Balaton湖從2003年3月到10月份的藻類組成（4類藻類）和生物量變化情況監(jiān)測如下，其中精細記錄了8月份的一次藍藻的爆發(fā)。

 

 

                                 

在自然溫度和光照條件下培養(yǎng)小球藻（Chlorella vulgaris），培養(yǎng)過程中，測量溫度、輻射和葉綠素（Chl）含量，檢測其DF（使用DF藻類延遲熒光測量系統(tǒng)）、量子效率（QE）和輻射能利用效率（ ）指數(shù)。數(shù)據(jù)分析表明，晝夜循環(huán)中DF信號與QE（ ）和 （r²=0.977,p＜0.01）均相關。

在瑞典的埃爾肯湖和匈牙利的巴拉頓湖，使用DF藻類延遲熒光測量系統(tǒng)記錄產(chǎn)生光合作用的浮游植物生物量和光合作用-光照曲線（PI），并估算浮游植物的初級生產(chǎn)力，同時記錄垂直方向的輻射衰減。分析表明，PI曲線在線檢測可顯著降低初級生產(chǎn)力估算的誤差。這表明，由于發(fā)生沉積物和浮游植物再懸浮，在光照會發(fā)生迅速變化的淺表渾濁湖水中，隨分鐘或季節(jié)的不同時間尺度的變化也符合這種規(guī)律。這項新的理論對研究初級生產(chǎn)力的規(guī)律和長期高頻率監(jiān)測下水生態(tài)具有很好的前景。

 

                  

利用活體浮游植物及生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測光合敏感藻類的時序數(shù)據(jù)，結合其他系統(tǒng)所測得的生態(tài)因子參數(shù)，分析浮游植物的季節(jié)變化模式，作為動態(tài)變化環(huán)境的函數(shù)。最終建立隨季節(jié)而變化的生態(tài)因子和浮游植物的生長之間的函數(shù)關系，因此可以充分地模擬各種水華的過程，從而達到預防水華發(fā)生的目的。

 

[1]Istvánovics V., Honti M., Osztoics A.,H. M. Shafik, Padisák J., Y. Yacobi and W. Eckert (2005) On-line delayed fluorescence excitation spectroscopy,as a tool for continuous monitoring of phytoplankton dynamics and itsapplication in shallow Lake Balaton (Hungary). Freshwater Biology 50:1950-1970.

[2]Honti M., Istvánovics V.and Osztoics A. (2005) Measuring and modelling in situ dynamic photosynthesis of various phytoplankton groups. Verh. Internat. Verein. Limnol.29:194-196.

[3]Honti M., Istvánovics V.and Osztoics A.(2007) Stability and change of phytoplankton communities in a highly dynamic environment ? the case of large, shallow Lake Balaton (Hungary). Hydrobiologia 581:225-240.

[4]Honti M., Istvánovics V.and Kozma Zs.(2008) Assessing phytoplankton growth in River Tisza (Hungary). Verh. Internat. Verein. Limnol.30(1):87-89.

[5]Istvánovics V. and Honti M.(2008) Longitudinal variability in phytoplankton and basic environmental drivers along Tisza River, Hungary. Verh. Internat. Verein. Limnol.30(1): 105-108.