Корреляционные соотношения биооптических компонент спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Салюк, Павел Анатольевич

• Салюк, Павел Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Салюк, Павел Анатольевич

4

ГЛАВА I. ВОССТАНОВЛЕНИЕ БИООПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОЙ ВОДЫ ИЗ СПЕКТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ИНДУЦИРОВАННОЙ

ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ (ЛИФ).

1.1. Метод лазерно-индуцированной флуоресценции.

1.2. Процедура обработки спектров лазерно-индуцированной флуоресценции.

1.3. Определение ошибок измерения биооптических компонент спектров ЛИФ.

ГЛАВА II. СПЕКТРЫ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ РАСТВОРЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В МОРСКОЙ ВОДЕ.

2.1. Определение флуоресцирующей части растворенного органического вещества (РОВ).

2.2. Сравнение характеристик спектров флуоресценции растворенного органического вещества с концентрационными измерениями РОВ.

2.3. Природа флуоресценции растворенного органического вещества.

ГЛАВА III. ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА «А» В МОРСКОЙ ВОДЕ МЕТОДОМ ЛИФ.

3.1. Соотношение между интенсивностью флуоресценции хлорофилла «А» и концентрацией хлорофилла «А».

3.2. Исследование влияния суточных ритмов флуоресценции хлорофилла «А» на измерение его концентрации.

ГЛАВА IV. АНАЛИЗ СООТНОШЕНИЙ БИООПТИЧЕСКИХ

КОМПОНЕНТ СПЕКТРОВ ЛИФ МОРСКОЙ ВОДЫ.

4.1. Использование диаграмм рассеяния биооптических компонент спектров ЛИФ для исследования циклов воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

4.2. Кластеризация фитопланктонных сообществ по соотношению биооптических параметров ЛИФ спектров.

4.3. Анализ фитопланктонных сообществ по параметрам, характеризующим процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Корреляционные соотношения биооптических компонент спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды»

Проблема мониторинга фитопланктонных сообществ приобретает, в настоящее время, особое значение в связи с актуальностью задач оценки биопродуктивности океана, а также явно выраженными климатическими изменениями на планете и все возрастающим антропогенным воздействием на морские экосистемы. Однако, мониторинг фитопланктонных сообществ подразумевает измерение параметров, характеризующих отдельные клетки и работу фотосинтетической системы на молекулярном уровне, но применительно к большим пространственно-временным масштабам [27, 39]. Для возможно более полного исследования состояния фитопланктонных сообществ и воздействия процессов различной природы (включая антропогенные) на функционирование клеток фитопланктона необходимо определение целого набора параметров, таких как концентрации хлорофилла «А» и дополнительных пигментов, входящих в клетки, скорости электронного транспорта в реакции фотосинтеза, органического вещества, воспроизводимого в результате реакции фотосинтеза, концентрации наиболее важных элементов, входящих в состав клеток и т.д. Все это необходимо измерять оперативно и на больших морских акваториях, методы лазерной спектроскопии позволяют проводить подобные измерения [12, 19, 53].

В данной работе рассмотрены вопросы, связанные с применением метода лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) к исследованию воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона. Это представляет большой интерес не только в связи с определением состояния морских экосистем, но и в связи с оценками той роли, которую играют клетки фитопланктона в глобальном цикле воспроизводства органического вещества на планете. Содержание растворенного органического углерода (РОУ) в океане соизмеримо по величине с содержанием СОг в атмосфере, а также составляет примерно 20% от общего органического вещества на Земле исключая керогены и уголь) [77]. Основным источником поступления РОУ в океан является фитопланктон, по оценкам, приведенным в работе [38], он продуцирует 20 миллиардов тонн РОУ в год, в то время как поступление органического вещества с суши и первичная продукция фитобентоса дают лишь 5 процентов вновь поступающего органического вещества. При этом биомасса самого фитопланктона, выраженная в единицах органического углерода, относительно очень мала - всего лишь 80 миллионов тон. Таким образом, его ежегодная продукция превышает его биомассу в 250 раз. Это говорит о большой роли фотосинтеза в процессе воспроизводства органики на планете, и обуславливает интерес к исследованию циклов воспроизводства органического вещества именно клетками фитопланктона [43].

Подавляющее количество органического углерода в океане находится в растворенной форме (по разным оценкам 90-98%) [3, 38] и входит в состав растворенного органического вещества (РОВ). РОВ представляют собой очень сложные соединения, только 10-20% этих соединений можно представить в виде отдельных компонентов, остальные 80-90% - это сложные органические смеси, которые нельзя разложить по компонентам и представить в аналитической записи [80, 91].

Вследствие сложной структуры, измерение РОВ представляет очень не простую задачу. Химические методы являются крайне трудоемкими, и также не всегда позволяют измерить концентрацию каждого отдельного компонента, входящего в состав РОВ. Несмотря на то, что оптические методы регистрируют лишь хромофоры и флуорофоры (т.е. соединения поглощающие свет или флуоресцирующие под его действием), тем не менее, для проведения мониторинга процессов воспроизводства органического вещества в морской воде оптические методы являются наиболее подходящими, т.к. они позволяют проводить оперативные измерения на больших акваториях. В плане оперативности и больших масштабов, наиболее привлекательным выглядит спутниковое зондирование восходящего излучения, однако, более богатую информацию по органическим веществам, находящимся в океане, дают активные (лазерные) флуоресцентные методы.

Круг задач, решаемый с помощью методов индуцируемой флуоресценции морской воды обширен. В первую очередь это задачи, связанные с измерением основного и дополнительных пигментов фитопланктона и определением скорости электронного транспорта. Использование схем, позволяющих проводить непрерывные измерения спектров флуоресценции морской воды, дает возможность решать задачи мониторинга состояния и стадии развития фитопланктонных сообществ, исследования циклов воспроизводства РОВ клетками фитопланктона [12, 40, 101-104]. Многоволновое возбуждение спектров флуоресценции позволяет исследовать процессы деградации и трансформации РОВ, более детально изучать компоненты и источники поступления органического вещества в морскую воду [65, 95]. При этом метод ЛИФ позволяет проводить перечисленные исследования оперативно и на различных масштабах (в основном на мезо- и макромасштабах [20]).

Еще одной из задач, решаемой методом ЛИФ спектроскопии является проведение подспутниковых калибровочных измерений концентрации хлорофилла «А». Стандартные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла «А» из спектров восходящего излучения моря (полученные спутниковыми сканерами морской поверхности) постоянно совершенствуются, что требует проведения подспутниковых измерений и создания новых методик калибровок. Алгоритмы, используемые в настоящее время, построены на основе 3000 измерений [93], выполненных в различных частях Мирового океана, но применительно к районам со специфическими биооптическими характеристиками могут давать ошибку определения концентрации хлорофилла «А» более 100%. Метод ЛИФ, обеспечивая большую статистику измерений, позволяет не только получать региональные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла «А», но и проводить биооптическую классификацию вод, где для разных типов морской воды разрабатываются разные биооптические алгоритмы [6,11,13,33,59,99,100].

Таким образом, актуальность постановки данной работы определяется необходимостью разработки новых методов мониторинга фитопланктонных сообществ и, в частности, создания оперативных методов исследования циклов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона, что необходимо для решения ряда фундаментальных проблем исследования окружающей среды. Кроме этого, актуальным является приложение результатов данной работы для решения прикладных задач, например, таких как разработка региональных алгоритмов восстановления полей концентраций хлорофилла «А» по данным спутникового зондирования цвета морской поверхности.

Целью настоящей работы является исследование функциональных зависимостей биооптических компонент ЛИФ спектров, которые возникают на различных стадиях развития клеток фитопланктона, и наблюдаются в морских водах различных оптических типов. Целью работы является так же создание оперативных методов исследования процессов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона в океане на основе проведенных исследований соотношений биооптических компонент ЛИФ спектров.

В данной работе поставлены следующие задачи:

1. Провести измерение спектров ЛИФ морской воды в различные периоды развития клеток фитопланктона и в различных по биопродуктивности районах Мирового океана.

2. Оценить влияние эффекта световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

3. Провести анализ функциональных зависимостей биооптических параметров ЛИФ спектров, измеренных в различные периоды развития клеток, в различных районах Мирового океана.

4. Исследовать корреляционные соотношения биооптических параметров для определения той части РОВ, которая дает максимальный вклад в А интенсивность спектров флуоресценции при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм.

5. Разработать основы метода мониторинга фитопланктонных сообществ по измерению параметров ЛИФ спектров, характеризующих процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые метод лазерной индуцированной флуоресценции применен для исследования процессов воспроизводства органического вещества фитопланктонными сообществами.

2. Показано, что наибольший вклад в сигнал флуоресценции РОВ, при ф возбуждении лазерным излз'чением длиной волны 532 нм, дает «молодое»

РОВ.

3. На основе исследования функциональных соотношений биооптических $ компонент спектров ЛИФ разработаны основы классификации фитопланктонных сообществ по параметрам, характеризующим процесс воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Высокие значения коэффициентов корреляции биооптических компонент спектров ЛИФ, характеризующих флуоресцентную часть РОВ и концентрацию хлорофилла «А» (С) и С), наблюдаются в период активного ф развития клеток фитопланктона.

2. Параметры линейных регрессий биооптических компонент спектров ЛИФ (С)-С диаграмм рассеяния) описывают процесс воспроизводства органическо-го вещества клетками фитопланктона.

3. Эффект световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона вносит ошибку в измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А», возбуждаемой лазерным излучением с длиной волны 532 нм, не превышающую 15% от её среднесуточного значения, в случае проведения предварительной темновой адаптации клеток фитопланктона. 4. Биооптический параметр Q, при возбуждении спектров ЛИФ лазерным из-лучением с длиной волны 532 нм, однозначно определяется флюоресцирую-щим РОВ, воспроизведенным клетками фитопланктона при концентрациях хлорофилла «А» более 5 мкг/л.

Практическая значимость результатов, полученных в работе состоит:

1. Разработанная процедура автоматической обработки ЛИФ спектров повышает достоверность определения биооптических параметров морской воды и увеличивает оперативность обработки данных.

2. Проведена оценка диапазона значений концентраций хлорофилла «А» при которых проточный метод ЛИФ позволяет проводить количественные измерения.

3. Разработанная методика может быть использована для проведения коррекции спутниковых алгоритмов по восстановлению полей концентраций хлорофилла «А» и РОВ.

4. Предложенный метод позволяет оперативно и дистанционно проводить исследования процессов воспроизводства РОВ, что значительно снижает трудоемкость таких исследований по сравнению с традиционными методами, а так же делает возможным проводить исследования на больших акваториях.

Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Int. conference «Lasers, Applications and Technologies», Moscow, 2002; 3rd Workshop on Okhotsk Sea and Adjacent Areas by PICES, Vladivostok, 2003; 2nd International conference «Optics of Natural Waters», St. Petersburg, 2003; Региональная научно-техническая конференция "Наука делает мир лучше", МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2003; The 6th IOC/WESTPAC International Scientific Symposium «Challenges for Ma-rine Science in the Western Pacific», Hangzhou, China, 2004; Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics.",

Tomslc, 2004; International conference «Photonics Asia», Beijing, China, 2004; Вторая открытая всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса», Москва, 2004г; 3rd International conference «Optics of Natural Waters», St. Petersburg, 2005; PICES XIV Annual Meeting, Vladivostok, 2005; 5th international Asia-Pacific Conference «Fundamental problems of opto- and microelectronics», Vladivostok, Russia.

Структура диссертации.

В первой главе описано восстановление биооптических параметров морской воды из спектров лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Под биооптическими параметрами в данной работе понимаются все характеристики морской воды, имеющие биологическое происхождение, в той или иной степени, влияющие на цвет или светимость океана. Проводится описание метода лазерной индуцированной флуоресценции, используемого для измерения биооптических характеристик морской воды. Изложен принцип работы и конструкция судового лазерного флуориметра [30, 57], который использовался в натурных измерениях для выполнения задач, сформулированных в данной работе. Рассмотрен измеряемый спектр флуоресценции морской воды, приведены биооптические компоненты, наблюдающиеся в рассматриваемом спектральном диапазоне. Описана процедура разложения спектров ЛИФ морской воды на отдельные биооптические компоненты [41]. Оценены инструментальная и методическая ошибки измерения интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А».

Во второй главе описываются различные методы исследования флуоресценции РОВ. Рассматриваются спектры флуоресценции РОВ при возбуждении излучением с различными длинами волн, в том числе трехмерные спектры флуоресценции, где по. осям отложены длина волны возбуждающего излучения, длина волны испускаемого излучения и интенсивность флуоресценции РОВ (ИФРОВ). По литературным данным проведено описание пиков флуоресценции РОВ, наблюдаемых на трехмерных ЛИФ спектрах. Исследуется возможность проведения калибровок при измерении концентрации РОВ флуоресцентными методами, и проводится анализ природы спектров флуоресценции РОВ.

В третьей главе рассмотрен вопрос о связи между максимумом интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» и эталонными измерениями концентрации хлорофилла «А» выполненными в 2001 году в Охотском море. Получившаяся калибровка сравнивается с ранее полученными результатами и калибровками других авторов. Наличие постоянной концентрационной зависимости флуоресценции хлорофилла «А» определяет физический смысл и область практического применения результатов измерения интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» в натуральной морской воде. Исследован суточный ход интенсивности флуоресценции хлорофилла «А», измеренной на используемом в работе флуориметре. Проведена оценка влияния эффекта световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

В четвертой главе приведена методика, позволяющая исследовать процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона. Рассмотрены соотношения между интенсивностью флуоресценции РОВ и концентрацией хлорофилла «А» для трех биопродуктивных районов Мирового океана [12, 40]. Проведена кластеризация фитопланктонных сообществ по соотношению биооптических параметров ЛИФ спектров. Выделены те участки маршрута, где параметры, характеризующие процесс воспроизводства РОВ клетками фитопланктона, были постоянными в пределах ошибки. Исследование корреляционных соотношений биооптических параметров позволило разработать новые подходы к классификации фитопланктонных сообществ по темпам воспроизводства РОВ и оценки их состояния. Данный подход при описании функционирования фитопланктонных сообществ в сочетании с методиками определения химического состава морской воды и клеток фитопланктона [10, 74, 75], соотношения пигментного состава клеток и определения скоростей электронного транспорта в реакции фотосинтеза [53], спутникового исследования структурных особенностей распределения биооптических параметров [7, 34] может позволить проводить более полное описание и более детальную классификацию фитопланктонных сообществ. С помощью разработанной методики использования функциональных зависимостей биооптичсеких компонент возможно исследовать влияние процессов различной природы (включая антропогенные) на состояния фитопланктонных сообществ [1, 86].

В заключении диссертации представлены основные результаты работы.

Список используемых в работе сокращений:

ИФРОВ - интенсивность флуоресценции растворенного органического вещества

ИФРОВуф - ИФРОВ при возбуждении ультрафиолетовым излучением

ИФРОВ532 - ИФРОВ при возбуждении излучением с длиной волны 532нм.

ИФХ - интенсивность флуоресценции хлорофилла «А»

КР - комбинационное рассеяние

ЛИФ - лазерно индуцированная флуоресценция

РОВ - растворенное органическое вещество

Используемые в работе переменные:

С - концентрация хлорофилла «А» () - относительная концентрация ИФРОВ532 Я. - коэффициент корреляции между С и <2 (.2о - фоновое значение О.

V - относительное удельное воспроизводство РОВ / - интенсивность флуоресценции а - амплитуда флуоресценции

Ф - отношение амплитуды флуоресценции хлорофилла «А» к амплитуде флуоресценции КР воды X - длина волны £ - соленость Т - температура

С - концентрация хлорофилла «А», усредненная по выделенному кластеру - относительная концентрация ИФРОВ532, усредненная по выделенному кластеру

Заключение диссертации по теме «Оптика», Салюк, Павел Анатольевич

Основные результаты, полученные автором и описанные в этой главе молено сформулировать следующим образом.

Метод обработки ЛИФ спектров, разработанный для используемого в работе флуориметра, позволил отделять различные биооптические компоненты друг от друга. При этом были учтены такие специфические особенности использования прибора в судовых условиях, как сбой режима работы сканирующего монохроматора, временами возникающая нестабильная работа лазера, наличие взвеси в прокачиваемой воде и т.п. В основном причиной инструментальных сбоев были наводки и перебои в сети электропитания судна или невнимательность при обслуживании. В данном варианте флуориметра сбои были выявлены только по ходу работы прибора, и поэтому полученные результаты можно было исправить только программными средствами. Также представленная процедура обработки максимально уменьшает «биологические» ошибки, связанные с тем, что отдельные биооптические компоненты могут идентифицироваться, как единый компонент. Например, более ранние процедуры обработки не учитывали флуоресценцию фикоэретрина и флуоресценцию производных хлорофилла «А», и приписывали дополнительно возникающий при их флуоресценции сигнал к флуоресценции РОВ. Это приводило к дополнительным ошибкам при описании процессов воспроизводства РОВ клетками фитопланктона, возникали либо ложные связи РОВ и хлорофилла «А», либо изменялся наклон в анализируемых соотношениях.

Впервые проведен анализ ошибок определения коэффициентов функций, описывающих биооптические компоненты. Показано, что в наиболее интересном диапазоне максимальной интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» методическая ошибка не превышает 20%, а в диапазоне 0.5 - 7 отн.ед. (нормированная на КР интенсивность флуоресценции) ошибка менее 10%.

ГЛАВА II. СПЕКТРЫ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ РАСТВОРЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В МОРСКОЙ ВОДЕ.

Подавляющее количество органического углерода в океане находится в растворенной форме (по разным оценкам 90-98%) [3, 38] и входит в состав растворенного органического вещества (РОВ). РОВ представляют собой очень сложные соединения, только 10-20% этих соединений можно представить в виде отдельных компонентов, остальные 80-90% - это сложные органические смеси, которые нельзя разложить по компонентам и представить в аналитической записи [80, 91].

В работе [71] выделяют четыре основных класса органических соединений, находящихся в морской воде: безазотистое органическое вещество (главным образом углеводы, но не включая сюда липиды); азотосодержащее вещество (в основном это белки и продукты их разложения); липиды (эфиры жирных кислот, обычно содержащие орто-фосфатный радикал); сложные вещества, содержащие гуминовые кислоты. Органические соединения первых трех групп при разрушении и трансформации могут давать гуминовые вещества: фенолы и хиноны; продукты разрушения белков; продукты разрушения углеводов. Помимо этого, в составе океанического РОВ, обнаруживаются различные ферменты, ростовые вещества и витамины.

Вследствие сложной структуры, измерение РОВ представляет очень не простую задачу. Химические методы являются крайне трудоемкими, и также не всегда позволяют измерить концентрацию каждого отдельного компонента, входящего в состав РОВ. Несмотря на то, что оптические методы регистрируют лишь хромофоры и флуорофоры (т.е. соединения поглощающие свет или флуоресцирующие под его действием), тем не менее, для проведения мониторинга процессов воспроизводства органического вещества в морской воде оптические методы являются наиболее подходящими, т.к. они позволяют проводить оперативные измерения на

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БМБЯ140ТШШ больших акваториях. В плане оперативности и больших масштабов, наиболее привлекательным выглядит спутниковое зондирование восходящего излучения, однако, более богатую информацию по органическим веществам, находящимся в океане, дают активные (лазерные) флуоресцентные методы.

В главе описываются различные методы исследования флуоресценции РОВ. Рассматривается возможность проведения калибровок при измерении концентрации РОВ флуоресцентными методами и природа спектров флуоресценции РОВ.

2.1. Определение флуоресцирующей части растворенного органического вещества.

Активное изучение флуоресценции РОВ началось в 70-х годах прошлого столетия. В основном, возбуждение проводилось ламповыми излучателями в ультрафиолетовом и ближнем видимом диапазонах [напр. 21, 29, 106]. Именно при возбуждении ультрафиолетовым излучением свечение РОВ наиболее сильно. В работе [22] проводились попытки по возбуждению флуоресценции РОВ зеленым излучением (Хв03 = 546нм) при этом в области длин волн бООнм появлялось едва заметное свечение, которое выглядело как малая добавка к длинноволновому крылу линии возбуждения. Был сделан вывод о возможности возбуждения свечения РОВ в зеленой области спектра.

В 80-х годах стали появляться работы, где для возбуждения использовались лазеры [15, 46, 79]. Применение Ш:УАО лазера со второй гармоникой (Хв03 = 532нм) позволило наблюдать флуоресценцию РОВ [79] при возбуждении зеленым излучением.

Несмотря на различия техники и методики измерений, результаты определения спектров свечения РОВ неплохо согласуются между собой и в конце 80-х годов [26] обобщил результаты разных авторов следующей формулировкой. Флуоресценция РОВ возбуждается ультрафиолетовым и видимым излучением, а ее спектр представляет собой ассиметричную бесструктурную полосу с полушириной 100-140 нм и максимумом, смещенным на 80-100 нм в сторону больших длин волы относительно линии возбуждения. Однако, стоит отметить, что уже в середине 90-х годов были обнаружены максимумы флуоресценции РОВ, смещенные на 30-60 нм относительно длины волны возбуждающего излучения.

В 90-х годах начали появляться работы, где флуоресценция РОВ исследовалась как функция двух переменных - длин волн собственного свечения и возбуждающего излучения [51, 65, 95]. О необходимости такого подхода говорилось и раньше [26, 56], однако развитие техники долго не позволяло провести подобные измерения. В настоящий момент в многоволновом варианте метода ЛИФ для возбуждения используются ламповые излучатели, которые позволяют исследовать спектры свечения РОВ при длинах волн возбуждения в диапазоне 200-600нм и регистрировать флуоресценцию в диапазоне 200-800нм. Однако, у разработанных на данный момент установок существуют и недостатки, во-первых, использование ламповых излучателей не позволяет эффективно возбуждать флуоресценцию РОВ зеленым излучением, а во-вторых, встречающиеся нам в литературе установки не разработаны в проточном варианте, что не позволяет проводить измерения по ходу судна. Поэтому наши результаты, полученные на проточном флуориметре с возбуждением излучением длиной волны 532нм, представляют особый интерес. Во-первых, мы исследуем пространственное распределение ИФРОВ с высоким разрешением (до 500м), что позволяет получить большую статистику измерений, отслеживать резкие градиенты и изучать малые масштабы распределения ИФРОВ. Во-вторых, при возбуждении зеленым излучением, по всей видимости, флуоресцирует РОВ, который недавно произведен фитопланктонным сообществом, что позволяет исследовать процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Одной из первых многоволновой метод ЛИФ стала применять американская группа под руководством Кобл. 3-х мерные ЛИФ спектры возбуждались 450 ваттной ксеноновой лампой (рис. 2.1.1) [65]. Кобл на спектрах выделяет следующие типы флуоресценции: гуминоподобная, тирозиноподобная и триптофаноподобная. Гуминоподобная флуоресценция состоит из двух пиков, один возбуждается ультрафиолетовым излучением I пик А), а другой видимым (пик С). Также было отмечено, что в пробах морской воды появляется пик М, который немного сдвинут от пика С и также ассоциируется с гуминоподобной флуоресценцией, но различие в положении пиков С и М говорит о том, что морские гуминовые вещества и гуминовые вещества, поступающие с суши - различны. Пик Р на данном рисунке соответствует флуоресценции хлорофилла «А». Согласно работе [66] пики Р и В ответственны за биологическую активность. Пик N был замечен во время цвета триходесмиума, и Кобл предполагает, что он связан с продукцией нового хромофорного РОВ в морской среде.

Кобл, в основном, использовала многоволновой метод ЛИФ спектроскопии для определения источников РОВ и не проводила экспериментов по деградации и трансформации органического вещества. Такие эксперименты провела французская группа под руководством Парланти [95]. Спектры, измеряемые в его работах, показаны на рис. 2.1.1.6.

Также Парланти ввел другие обозначения пиков, гуминоподобный пик обозначается а и а, в зависимости от длины возбуждения. Морской гуминоподобный пик обозначается |3, тирозиноподобный и триптофаноподобные пики обознаются у и 5, соответственно. Положение и обозначения пиков флуоресценции на трехмерных ЛИФ спектрах представлено в таблице 2.1.1. В другой литературе обычно используются обозначения Кобл, поэтому они и будут в дальнейшем использоваться.

Рис. 2,1.1. Трехмерные спектры ЛИФ, где по осям отложены длина волны возбуждения длина волны испускания (Хис„) и интенсивность флуоресценции (I) а.) Пример 3-х мерного ЛИФ спектра полученного в работе [65]. Интенсивность сигнала нормирована на интенсивность КР воды, б) Пример 3-х мерного ЛИФ спектра, полученного в работе [95]. Интенсивность сигнала дана в количестве отсчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулируем следующие результаты, полученные в • данной работе:

1. Разработана процедура обработки спектров лазерной индуцированной флуоресценции, позволяющая получать такие биооптические параметры, как флуоресценция фикоэретрина, хлорофилла «А» и растворенного органического вещества.

2. Проведена оценка инструментальной ошибки флуориметра и ошибки определения концентрации хлорофилла «А» по измерениям интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

3. Исследовано влияние эффекта световой адаптации ф фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на калибровку концентрации хлорофилла «А».

4. Предложен параметр Для оценки ИФРОВ при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм. Показано, что в высокобиопродуктивных водах РОВ, этот параметр однозначно определяется процессами жизнедеятельности фитопланктонных сообществ.

5. Разработана методика использования ЛИФ данных для описания процесса воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона.

6. Показано, что относительное удельное воспроизводство флуоресцирующего РОВ падает при достижении критической концентрации

Щ хлорофилла «А» - 8 мкг/л, и определяется в большей степени стадией развития фитопланктонного сообщества, а не местоположением, где оно функционирует.

7. На основе проведенного анализа соотношения биооптических компонент спектров ЛИФ, показано, что величина коэффициента корреляции К, между значениями ИФРОВ532 и концентрации хлорофилла «А», более 0,5 на акваториях, где концентрация хлорофилла «А» превышает 5 мкг/л.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Салюк, Павел Анатольевич, 2005 год

1. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Справочник. Приемники оптического излучения. М.: Радио и связь. 1987.296с.

2. Атлантический океан /Под ред. O.K. Леонтьева. М.: Мысль, 1977. 296 с.

3. Беккиев А.Ю., Гоголинская Т.А., Фадеев В.В. Одновременное определение температуры и солености морской воды методом лазерной КР~ спектроскопи. ДАН, Физика. 1983. Т. 271, № 4, с. 849-853.

4. Биологическая продуктивность океана. Биология океана. Т. 2. /Под ред. М.Е. Виноградова. М.: Наука, 1977. 399 с.

5. Букин O.A., Пермяков М.С., Майор А.Ю., Скороход Г.В. и др., Связь параметров флуоресценции морской воды, возбуждаемых лазернымизлучением, с типом морских вод, Оптика атмосферы и океана, 13, №11(2000)

6. Букин O.A., Пермяков М.С., Майор А.Ю., Сагалаев С.Г. и др. О калибровке метода лазерной флуориметрии при измерении концентрации хлорофилла А // Оптика атмосферы и океана 2001- т. 14. №3- С. 28-32.

7. Георгиев Г., Николов Ж., Стаменов К. и др. Флуоресцентный анализ органических веществ в водных средах при возбуждении азотного лазера //

8. В ich.: Тезисы III конф. по люминисценции, Сегед (ВНР). 1979. — С. 159162.

9. Глушков С.М., Фадеев В.В., Филиппова Е.М., Чубаров В.В. Проблемы лазерной флюорометрии органических примесей в природных водах // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 4. С. 433-449.

10. Гандин Л.С., Каган P.JI. Статистические методы интерпретации метеорологических данных. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 360 с.

11. Горюнова C.B. Особенности процессов автолиза у диатомовых водорослей. Труды института микробиологии АН СССР, 1958, т.5, с. 53-62.

12. ГОСТ 9411-81 Стекло оптическое цветное // М.: Издательство стандартов. 68стр.

13. Демидов A.A., Баулин Е.В., Фадеев В.В., Шур Л.А. Применение лазерной спектрофлуориметрии для измерения концентрации пигментов морского фитопланктона//Океанология. 1981. Т. 21. № 1. С. 174-179.

14. Каменкович В .В., Корт В.Г., Монин A.C. Изменчивость Мирового океана. -Л.: Гидрометеоиздат, 1974-261с.

15. Карабашев Г.С., Зангалис К.П. Некоторые результаты исследования спектральных закономерностей фотолюминесценции морской воды // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана. 1971. т. 7, № 9. - С. 1012-1015.

16. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н., Зангалис К.П. Фотолюминесценция вод Атлантического и Тихого океанов // В кн.: Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. М.: Наука, 1974, С. 143-153.

17. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н. Закономерности пространственно-временной изменчивости интенсивности флуоресценции пигментов в клетках живого фитопланктона// Труды ИОАН. 1975. т. 102. — С. 89-93.

18. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н. Суточный ритм флуоресценции хлорофилла фитопланктона в деятельном слое океана // Океанология. 1976. т. 16, №2, С. 316-323.

19. Карабашев Г.С., Агатова А.И. О соотношении интенсивности флуоресценции и концентрации растворенных органических веществ в водах океана // Океанология. 1984. Т. 24. № 6. С. 906 909.

20. Карабашев Г.С. Флуоресценция в океане. JL: Гидрометеоиздат, 1987. 200 с.

21. Карнаухов В.Н. Спектральный анализ в клеточном мониторинге состояния окружающей среды. М.: Наука, 2004. 186 с.

22. Клышко Д.Н., Фадеев В.В. «Дистанционное определение концентрации примеси методом лазерной спектроскопии по комбинационному рассеянию». ДАН СССР. 1978. Т. 238. С.320-323.Ч

23. Люцарев C.B. Методика исследования свойств флуоресцирующих соединений морской воды // В кн.: Методы рыбохозяйственных химикоокеанографических исследований. 1968. Ч. 2. М., ВНИРО. С. 6991.

24. Майор А.Ю., Букин O.A., Павлов А.Н., Киселев В.Д. Судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды // Приборы и техника экспиремента. 2001. № 4. - С. 151-154.

25. Мартынов H.H., Иванов А.П. Matlab 5.x. Вычисления, визуализация, программирование. М.: Кудиц-образ, 2000. 322с.

26. Паркер С. Фотолюминесценция растворов. Пер. с англ. М.: Мир, 1972. 510 с.

27. Пермяков М.С., Акмайкин Д.А., Салюк П.А., Букин O.A., Тархова Т.И., Смолин П.В. Влияние тайфунов на поля концентрации хлорофилла «А» по данным сканера цвета морской воды SeaWiFS // Исследование Земли из космоса. 2005.-№ 6. - С. 56-62.

28. Подопригора E.JI., Чистяков Т.С., Хованец В.А., Пермяков М.С. Геоинформационная система мониторинга океана и атмосферы // Исследовано в России. 2003. № 128. С. 1517-1526. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/128.pdf

29. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab 5.x. Том 1.- М.: Диалог-МИФИ, 1999. 366с.

30. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab 5.x. Том 2.- М.: Диалог-МИФИ, 1999. 304с.

31. Романкевич Е.А. Геохимия органического вещества в океане. М.: Наука, 1977.256 с.

32. Рубин А.Б. Биофизические методы в экологическом мониторинге // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 4. С. 7-13.

33. Скопинцев Б.А. Новые данные о природе органического вещества океанических вод и его энергетические ресурсы // Океанология. 1981. Т. 21. №5. С. 821-830.

34. Тихий океан /Под ред. O.K. Леонтьева. М.: Мысль, 1982. 316 с.

35. Фадеев В.В. Дистанционное лазерное зондирования фотосинтезирующих организмов. Квантовая электроника, 1978, Т.5, №10, с.2221-2226.

36. Фадеев В.В., Демидов А.А., Клышко Д.Н., Кобленц-Мишке О.И., Фортус

37. B.М. Применение лазерной спектроскопии для определения пигментов морского фитопланктона // Труды института океанологии. 1980. Т.90.1. C.219-234.

38. Фадеев В.В., Чекалюк A.M., Чубаров В.В. Нелинейная лазерная флуориметрия сложных органических соединений // Доклады АН СССР. -1982. т. 262, №2. С. 338-341.

39. Шунтов В.Г. Биология дальневосточных морей России. Том1. -Владивосток: Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр (ТИНРО-центр), 2001. 580с.

40. Alvarez-Salgado Х.А., Doval M.D., Perez F.F. Dissolved organic matter in shelf waters off the Ria de Vigo (NW Iberian upwelling system) // Journal of Marine Systems. 1999. V.18. P.383-394.

41. Anderson J.M., Barrett J. Light-harvesting pigment-protein complexes of algae. In: Staehelin L.A., Arntzen С J. (Eds.), Photosynthesis: III. Encl. Plant Phys. 19 Springer-Verlag, Berlin, 1986. pp.269-285, 19.

42. Armstrong F.A., Williams P.M., Stickland J.D.H. Photooxidation of organic matter in sea water by ultraviolet radiation, analytical and other application // Nature. 1966. № 5048. - P. 481-483.

43. Babichenko S., Kaitala S., Leeben A., Poryvlcina L., Seppala J. Phytoplankton pigments and dissolved organic matter distribution in the Gulf of Riga // Journal of Marine Systems. 1999. V.23. P. 69-82.

44. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Palucci A., Ribezzo S., Lazzara L. Spectrofluorometric phytoplankton and sea water characterization during the XIII Italian Antarctic mission // Proceedings of SPIE. 1999. - V.3821. - P.237-247.

45. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Palucci A., Ribezzo S. Differential lidar fluorescensor system used for phytoplankton bloom and sea water quality monitoring in Antarctica. Int. Journal of remote sensing. V.22, #2-3, 2001. P.369-384.

46. Bristow M., Nielsen D., Bundy D., Furtek R. Use of water Raman emission to correct airborne laser fluorosensor data for effects of water optical attenuation. Applied Optics. 1981. v. 20. N 17, p. 2889-2906.

47. Brown J.S. Forms of chlorophyll in vivo // Ann. Rev. Plant Physiol. 1972. V.23. p.73-86.

48. Brown M. Laboratory measurements of fluorescence spectra of Baltic waters // Rep. Inst. Fysislc Oceanografi Univ. Copenhagen. 1974. №29. - P. 21.

49. Burdige D.J., Kline S.W., Chen W. Fluorescent dissolved organic matter in marine sediment pore waters // Marine Chemistry. 2004. V.89. P.289- 311.

50. Callahan J., Dai M., Chen R.F., Lib X., Lub Z., Huang W. Distribution of dissolved organic matter in the Pearl River Estuary, China // Marine Chemistry. 2004 V.89.P.211-224.

51. Carlson C.A., Hansell D.A., Peltzer E.T., Smith Jr. W.O. Stocks and dynamics of dissolved and particulate organic matter in the southern Ross Sea, Antarctica // Deep-Sea Research II. 2000. V.47. P.3201-3225.

52. Chen R.F., Gardner G.B. High-resolution measurements of chromophoric dissolved organic matter in the Mississippi and Atchafalaya River plume regions // Marine Chemistry. 2004. V.89 P. 103- 125.

53. Clark C.D., Jimenez-Morais J., Jones G., Zanardi-Lamardo E., Moore C.A., Zika R.G. A time-resolved fluorescence study of dissolved organic matter in a riverine to marine transition zone // Marine Chemistry. 2002. V.78. P.121-135.

54. Cleveland W.S., Grosse E. Computational methods for local regression // Statistics and Computing. 1991. №1. P.47-62.

55. Coble P.G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy // Marine Chemistry. 1996. V. 51. P. 325-346.

56. Coble P.G., Del Castillo C.E., Avril B. Distribution and optical properties of CDOM in the Arabian Sea during the 1995 Southwest Monsoon // Deep-Sea Research II. 1998. V.45. P.2195-2223.

57. Darzi M., Patt F.S., Firestone J.K., Schieber B.D., Kumar L.V., Ilg D.A. SeaWiFS operational archive product specifications, version 2.8 // SeaWiFS Project Code 970.2, NASA Goddard Space Flight Center. 1995. 16 November. 92p.

58. De Souza-Sierra M.M., Donard O.F.X., Lamotte. Spectral identification and behavior of dissolved organic fluorescent material during estuarine mixing processes // Marine Chemistry. 1997. v. 58. P. 51-58.

59. Determann S., Reuter R., Wagner P., Willkomm R. Fluorescence matter in the eastern Atlantic Ocean: part 1. Method of measurement and near-surface distribution // Deep-Sea Research. 1994. v. 41. - P. 659-675.

60. Duhamel, P., Vetterli M. Fast Fourier Transforms: A Tutorial Review and a State of the Art // Signal Processing. 1990. v. 19. - P. 259-299.

61. Duursma E.K. The dissolved organic constituents of sea water. Chemical Oceanography, v.l, 4, Acad. Press., 1965.

62. Ferrari G.M. The relationship between chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in the European Atlantic coastal area and in the West Mediterranean Sea (Gulf of Lions) // Marine Chemistry. 2000. V.70. P.339-357.

63. Govindjee, Briantais J.M. Chlorophyll B fluorescence and an emission band at 700 nm at room temperature in green algae // FEBS Letters. 1972. V.19. №4. P.278-280.

64. Hedges J.I. Global biogeochemical cycles: progress and problems // Marine Chemistry. 1992. V. 29. P. 67-93.

65. Hilton J., Rigg E., Jaworski G. Algal identification using in vivo fluorescence spectra // J. Plankton Res. 1989. V.ll. P.65-74.

66. Hoge F.E., Swift R.N. Airborne simultaneous spectroscopic detection of laser-induced water Raman baclcscatter and fluorescence from chlorophyll a and other naturally occurring pigments // Applied Optics. 1981. V. 20. № 18. P. 3197-3205.

67. Hopkinson Jr. C.S., Joseph J.V., Amy N. Decomposition of dissolved organic matter from the continental margin // Deep-Sea Research II. 2002. V.49. P. 44614478.

68. Kahler P., Koeve W. Marine dissolved organic matter: can its C:N ratio explain carbon overconsumption? // Deep-Sea Research I. 2001. V.48. P.49-62.

69. Kiefer D.A. Chlorophyll a fluorescence in marine centric diatoms: response of chloroplasts to light and nutrient stress // Mar. Biol. 1973. v. 23. - P. 39-46.

70. Klinkhammer G.P., McManus J., Colbert D., Rudnicki M.D. Behavior of terrestrial dissolved organic matter at the continent-ocean boundary from highresolution distributions // Geocliimica et Cosmochimica Acta. 2000. V.64. №.16. P.2765-2774.

71. Lim, Jae S., Two-Dimensional Signal and Image Processing, Englewood Cliffs, NJ, Prentice Hall, 1990, pp. 469-476.

72. Lin I., Liu W.T., Wu C.C., Wong G.T.F., Hu C., Chen Z., Liang Y., Yang Y., Liu K.K. New evidence for enhanced ocean primary production triggered by tropical cyclone // Geophys. Res. Let. 2003. V.30. №13. 1718. doi: 10.1029/2003GL017141. P.51-1 -51-4.

73. Loftus M.E., Seliger H.H. Some limitations of the in vivo fluorescence technique // Chesapeake Science. 1975. - v. 16, № 2. - P. 79-92.

74. Marquardt D. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters//SIAM Journal Applied Math. 1963. V. 11. P. 431-441.

75. McKee D., Cunningham A., Jones K. Simultaneous Measurements of Fluorescence and Beam Attenuation: Instrument Characterization and Interpretation of Signals from Stratified Coastal Waters Estuarine // Coastal and Shelf Science. 1999. V.48. P.51-58.

76. Mopper K., Schultz C.A. Fluorescence as a possible tool for studying the nature and water column distribution of DOC components // Marine Chemistry. 1993. v. 41.-P. 229-238.

77. Munster. Concentrations and fluxes of organic carbon substances in the aquatic environment //Antonie van Leeuwenhoek. 1993. V. 63. № 3. P. 243-274.

78. Nieke B., Reuter R., Heuermann R, Wang H., Babin M., Therriault J.C. Light absorption and fluorescence properties of chromophoric dissolved organic matter

79. CDOM), in the St. Lawrence Estuary (Case 2 waters) // Continental Shelf Research. 1997. V.17. №.3. P.235-252.

80. O'Reilly J. E., Maritorena S., Mitchell B. G., Siegle D. A., Carder K. L., Garver S. A., Kahru M., and McClain C. Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS. Journal of Geophysical Research, v. 103, № CI 1. October 15. 1998. p. 24,937-24,953

81. Parlanti E., Worz K., Geoffroy L., Lamotte M. Dissolved organic matter fluorescence spectroscopy as a tool to estimate biological activity in a coastal zone submitted to anthropogenic inputs // Organic Geochemistry. 2000. V. 31. P. 1756-1781.

82. Parsons T., Talcahashi M. Biological oceanographic processes L.: Pergamon Press, 1973.-186p.

83. Pinto A.M.F., von Sperling E., Moreira R.M. Chlorophyll «A» determination via continuous measurement of plankton fluorescence: Methodology development // Wat. Res. 2001. V.35. №.16. P.3977-3981.

84. Rochelle-Newall E.J., Fisher T.R. Chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in Chesapeake Bay. // Marine Chemistry 2002. V.77 P.23-41.

85. Salyuk P.A., Akmaykin D.A. Developing of the regional ocean color chlorophyll-a algorithms for SeaWiFS for Okhotsk Sea // Third Workshop on Okhotsk Sea and Adjacent Areas by PICES, Vladivostok, 2003. P. 67.

86. Salyuk P.A., Bukin O.A., Permyakov M.S. Investigation of the organic matter cycles in the ocean by LIF spectroscopy // Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics", Tomsk, Russia, 2004, P.166.

87. Salyuk P.A., Bukin O.A., Permyakov M.S. Using of laser induced fluorescence method for phytoplankton communities describing // SPIE proceedings. 2005. -Vol. 5851.-P. 232-236.

88. Schlitzer R. Ocean Data View. http://www.awi-bremerhaven.de/GEO/ODV, 2003

89. Traganza E.D. Fluorescence excitation and emission spectra of dissolved organic matter in sea water // Bull. Mar. Sci. 1969. v. 19. - P. 897-904.

90. Watras C.J., Baker A.L. Detection of planktonic cyanobacteria by tandem in vivo fluorometry // Hydrobiologia 1988. V.169. P.77-84.

91. Yentsch C.S., Yentsch C.M. Fluorescent spectral signatures: The characterization of phytoplankton populations by the use of excitation and emission spectra // J. Mar. Res. 1979. V.37. P.471^83.