Концентрация хлорофилла в морской воде связана с биомассой и состоянием одноклеточных организмов — фитопланктона, флуоресцирующего при возбуждении излучением видимого и УФ-диапазона. Ученые из МФТИ и Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН разработали метод для быстрой оценки концентрации хлорофилла в морской воде. Метод не требует подготовки проб и может применяться в экспедициях на научно-исследовательских судах. Работа опубликована в журнале Journal of Photochemistry and Photobiology.
Концентрация хлорофилла A — важнейший параметр морской воды, характеризующий состояние одноклеточных растений (фитопланктона). Он широко используется для расчета первичной продукции (прирост количества органического вещества за счет фотосинтеза) в океанах и морях. Концентрация хлорофилла A — единственная характеристика морских экосистем, которую можно исследовать при помощи спутниковых снимков на больших площадях и в течение долгого времени.
Фитопланктон украсил Балтийское море малахитовым узором. Фото: NASA
Для точного определения концентрации хлорофилла используется трудоемкий и относительно дорогой метод высокоэффективной жидкостной хроматографии, который используется в лабораториях на суше. Также существует более простой, но менее точный экстракционный метод — используя его, измерения можно проводить прямо на борту судна во время экспедиции, однако процесс измерения требует значительного времени. Есть еще флуоресцентные методы, их преимущество в том, что они не требуют подготовки проб перед измерениями и позволяют оперативно получать результаты. Однако они имеют относительно низкую точность, поскольку интенсивность флуоресценции хлорофилла А зависит не только от его концентрации, но и от иных факторов: видового состава фитопланктона, состояния клеток и возраста популяции.
Дмитрий Глуховец с коллегами усовершенствовали флуоресцентный метод. Они использовали разработанный ранее двухканальный лазерный спектрометр для определения интенсивности флуоресценции хлорофилла А в морской воде. Ими также была получена формула, основанная на множественной регрессии, для более точного расчета концентрации хлорофилла А из интенсивностей флуоресценции.
Ученые проверили метод на данных, полученных в экспедициях Института океанологии РАН. Ошибки измерений лежали в пределах 40–50% при использовании общей формулы и 20–35% после калибровки с учетом особенностей акваторий, где выполнялись экспедиционные исследования. При этом для оценки концентрации хлорофилла в пробах морской воды достаточно взять один зеленый канал флуориметра. Для уточнения результатов требуется проводить несколько измерений при возбуждении на разных длинах волн.
По сложности предлагаемый метод занимает промежуточное положение между более точными и трудоемкими экстракционными методами и более простыми и относительно недорогими — с использованием одноканальных приборов, широко используемых в практике океанологических исследований. Основными отличиями предложенного метода являются возбуждение флуоресценции на нескольких длинах волн, спектральная регистрация флуоресцентных сигналов и использование множественной регрессии для обработки данных измерений.
«Наш способ можно применять для оценки концентрации хлорофилла А в морской воде. Точность метода сопоставима с экстракционными методами для определения концентрации хлорофилла — 20–50%. Однако простота процедуры измерения позволяет быстро получать большой объем данных прямо во время экспедиции. Двухканальный лазерный спектрометр достаточно прост в изготовлении и использовании. Большинство коммерческих флуориметров используют в качестве источников возбуждения светодиоды. Мы используем лазеры, что благодаря узкому спектральному диапазону излучения позволяет четко разделять пики флуоресценции и эффективно подавлять возбуждающее излучение. Мы планируем усовершенствовать метод путем добавления дополнительных длин волн возбуждения флуоресценции. Это позволит увеличить точность, а также выполнять оценки видового состава фитопланктона», — рассказывает Дмитрий Глуховец, руководитель лаборатории оптики океана Института океанологии РАН и доцент кафедры термогидромеханики МФТИ.
Работа поддержана грантом президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых.
3
