CN106442435A - 基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，以快速光脉冲诱导叶绿素荧光为浮游植物光合作用过程探针，解析获得主导光合作用电子传递效率的荧光动力学参数，基于荧光动力学参数反演得到浮游植物光合作用速率和光合反应中心浓度，结合环境光照，直接计算出单位时间、单位体积内水体中浮游植物活体细胞的光合作用电子传递通量，以此表征水体初级生产潜能；并依据浮游植物初级生过程中电子传递通量与放氧量、固碳量之间定量关系，建立叶绿素荧光动力学法与传统气体交换法测量结果之间的换算关系，实现水体中浮游植物初级产生力快速测量。本发明具有分析简便、快速、样品无需预处理、无污染和无破坏性等优点。

Description

基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法

技术领域

本发明涉及浮游植物检测方法领域，具体是一种基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法。

背景技术

浮游植物是水体中以浮游方式生活的微小植物体的统称，是水体最主要初级生产者，生物量虽不到全球总植物生物量的1％，但其初级生产力占全球总初级生产力的45％，光合固碳量占全球总固碳量的40％；浮游植物初级生产是生态系统物质循环和能量流动的基础环节，对维持全球生态系统的正常运转起着关键作用，它与浮游植物自身生长的关系、与次级生产和微食物环的关系、以及它在全球碳循环过程中的地位等，都是目前几个重大国际研究计划的核心课题。因此，快速、准确获取浮游植物初级生产力状况信息对提升水环境生态评价、水华与赤潮灾害预警、渔业资源评估等领域监测能力，促进水华与赤潮灾害形成机理、全球碳循环和气候变化预测等基础性研究具有重要的科学意义。

浮游植物初级生产力观测在国际上已经历了大半个世纪，出现了多种初级生产力测定方法，包括在20世纪前半叶被广泛使用的黑白瓶测氧法、后期发展起来的¹⁴C示踪法、¹⁸O示踪法，以及起源于20世纪70年代中期的遥感法和近些年出现的叶绿素荧光法。目前常用的黑白瓶测氧法、¹⁴C示踪法、¹⁸O示踪法等传统气体交换方法，是通过测量光合作用过程中反应物消耗量或产物生成量计算初级生产力，需要“现场采样-离线温育”，取样培养过程周期长、手续繁琐、测量时效性差，且取样培养过程中带来的误差亦不可忽视，已经无法满足现代水环境与生态监测需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，以解决传统气体交换法测量初级生产力需要“现场取样-离线培养”，存在测量周期长、误差大、手续繁琐的问题，从而实现自然条件下浮游植物初级生产力快速测量，为发展现场或原位快速监测技术提供方法基础。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，其特征在于：首先获得活体细胞本底荧光F₀和主导光合作用电子传递效率的荧光动力学参数X，其中X包括PSII功能吸收截面σ、光化学淬灭q_p、电子传递效率φ_e、光化学量子效率Δφ_m；在此基础上，通过测量实际光照和暗适应条件下叶绿素荧光动力学过程，反演浮游植物光合反应中心浓度和光合作用速率，结合环境光照，计算出浮游植物初级生产过程活体细胞的光合作用电子传递通量，再依据浮游植物初级生过程中电子传递通量与放氧量、固碳量之间定量关系，建立叶绿素荧光动力学法与传统气体交换法测量结果之间的换算关系，实现水体中浮游植物初级产生力快速测量，具体过程如下：

(1)、测量浮游植物光合作用速率：

在实际水体中光适应条件下，测量浮游植物叶绿素荧光动力学曲线，解析获得光适应下浮游植物的PSII功能吸收截面σ、光化学淬灭q_p、电子传递效率φ_e、光化学量子效率Δφ_m，根据生物膜能流理论，利用公式(1)计算浮游植物光合作用速率ψ：

ψ＝σ×q_p×φ_e×(Δφ_m/0.65) (1)；

(2)、测量浮游植物光合反应中心浓度：

在暗适应条件下，测量浮游植物叶绿素荧光动力学曲线，解析获得暗适应下浮游植物的本底荧光F₀和PSII功能吸收截面σ₀，其中F₀是光合反应中心完全处于开放状态、非光化学过程最小时的色素释放荧光，只与反应中心光能吸收效率有关，而σ₀是光合色素对光能吸收效率参数，因此利用公式(2)便可计算浮游植物光合反应中心浓度[RCII]：

其中，η为光化学效率与荧光量子效率比常数，通过与氧脉冲对比实验测定；

(3)、计算浮游植物初级生产力：

浮游植物初级生产力与光合反应中心浓度[RCII]、光合作用速率ψ、实际水体中光照强度E成正比，通过公式(3)直接测量获得单位时间、单位体积内水体中浮游植物活体细胞光合作用电子传递通量P_e：

从电子或能量传递角度分析，光合放氧速率、CO₂固定速率都取决于光合作用过程中电荷的分离与传递速率，理论上，光合作用每裂解两个水分子，产生4个电子，固定1个CO₂，因此，通过下列公式(4)、(5)能够推算浮游植物光合放氧和固碳量，建立叶绿素荧光法与传统气体交换法测量结果间的对应关系：

公式(3)、(4)、(5)中，_Pe、和分别为叶绿素荧光法、光合放氧法和CO₂固定法测量的浮游植物初级生产力，单位分别为[e]/m³/s、mg[C]/m³/h和mg[O]/m³/h。

所述的基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，其特征在于：所述传统气体交换法包括但不限于黑白瓶法、¹⁴C示踪法、¹⁸O示踪法。

所述的基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，其特征在于：步骤(2)中，暗适应条件下指暗适应时间在5min以上。

本发明提出的浮游植物初级生产力叶绿素荧光动力学检测方法，为自然条件下初级生产力测量的提供了新途径，其优点如下：

1)本发明叶绿素荧光动力学检测方法以光合反应中心产生的叶绿素荧光为探针，测量浮游植物活体细胞光合作用速率和光合反应中心浓度，直接获得浮游植物初级生产力。突破了气体交换法测量初级生产力需要“现场取样-离线培养”的瓶颈，具有分析简便、快速、无需样品预处理、无污染和无破坏性等特点。

2)与传统气体交换测量方法相比，本发明叶绿素荧光法具有反映光合作用过程“内在性”的特点，能够更为真实的体现浮游植物初级生产能力。

附图说明

图1为浮游植物光合作用能流示意图。

图2为基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力测量方法原理框图。

具体实施方式

浮游植物光合作用能流过程如图1所示，在光能驱动下水分子裂解产生氧气和电子，电子经反应中心和Q_A、Q_B、PQ等多级电子受体最终传递给辅酶Ⅱ将其还原，形成还原力，参与Calvin循环用于CO₂固定。从电子或能量传递角度分析，浮游植物初级生产的光合放氧速率、CO₂固定速率都取决于光合作用过程中电荷的分离与传递速率。

本发明提出基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，采用快速光脉冲诱导叶绿素荧光动力学手段，测量浮游植物活体细胞光合作用速率、光合反应中心浓度，结合环境光照强度，获得单位时间、单位体积内水体中浮游植物活体细胞光合作用电子传递通量，以此表征水体初级生产潜能。整个测量过程无需取样培养、无需预处理，可用于野外浮游植物初级生产力现场快速调查。

详细发明内容如下：

首先使用CN104819968A专利所提供的浮游植物光合作用叶绿素荧光动力学检测装置与分析手段，获得活体细胞本底荧光F₀和主导光合作用电子传递效率的荧光动力学参数x，其中x包括PSII功能吸收截面σ、光化学淬灭q_p、电子传递效率φ_e、光化学量子效率Δφ_m。在此基础上，通过测量实际光照和暗适应条件下叶绿素荧光动力学过程，反演浮游植物光合反应中心浓度和光合作用速率，结合环境光照，计算出浮游植物初级生产过程活体细胞的光合作用电子传递通量，再依据浮游植物初级生过程中电子传递通量与放氧量、固碳量之间定量关系，建立叶绿素荧光动力学法与黑白瓶法、¹⁴C示踪法、¹⁸O示踪法等传统气体交换法测量结果之间的换算关系，实现水体中浮游植物初级产生力快速测量，具体测量步骤如图2所示，过程如下：

(1)测量浮游植物光合作用速率：

在实际水体中光适应条件下，测量浮游植物叶绿素荧光动力学曲线，解析获得光适应下浮游植物的PSII功能吸收截面σ、光化学淬灭q_p、电子传递效率φ_e、光化学量子效率Δφ_m。根据生物膜能流理论，利用公式(1)计算浮游植物光合作用速率ψ。

ψ＝σ×q_p×φ_e×(Δφ_m/0.65) (1)，

(2)测量浮游植物光合反应中心浓度：

在暗适应条件下(暗适应时间5min以上)，测量浮游植物叶绿素荧光动力学曲线，解析获得暗适应下浮游植物的本底荧光F₀和PSII功能吸收截面σ₀。F₀是光合反应中心完全处于开放状态、非光化学过程最小时的色素释放荧光，只与反应中心光能吸收效率有关，而σ₀是光合色素对光能吸收效率参数，因此利用公式(2)便可计算浮游植物光合反应中心浓度[RCII]。

其中，η为光化学效率与荧光量子效率比常数，通过与氧脉冲对比实验测定。

(3)计算浮游植物初级生产力：

浮游植物初级生产力与光合反应中心浓度[RCII]、光合作用速率ψ、实际水体中光照强度E成正比，通过公式(3)直接测量获得单位时间、单位体积内水体中浮游植物活体细胞光合作用电子传递通量P_e。

从电子或能量传递角度分析，光合放氧速率、CO₂固定速率都取决于光合作用过程中电荷的分离与传递速率。理论上，光合作用每裂解两个水分子，产生4个电子，固定1个CO₂。因此，通过公式(4)、(5)能够推算浮游植物光合放氧和固碳量，建立叶绿素荧光法与传统气体交换法测量结果间的对应关系：

公式(3)、(4)、(5)中，P_e、和分别为叶绿素荧光法、光合放氧法和CO₂固定法测量的浮游植物初级生产力，单位分别为[e]/m³/s、mg[C]/m³/h和mg[O]/m³/h。

Claims (3)

1.基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，其特征在于：首先获得活体细胞本底荧光F₀和主导光合作用电子传递效率的荧光动力学参数χ，其中χ包括PSII功能吸收截面σ、光化学淬灭q_p、电子传递效率φ_e、光化学量子效率△φ_m；在此基础上，通过测量实际光照和暗适应条件下叶绿素荧光动力学过程，反演浮游植物光合反应中心浓度和光合作用速率，结合环境光照，计算出浮游植物初级生产过程活体细胞的光合作用电子传递通量，再依据浮游植物初级生过程中电子传递通量与放氧量、固碳量之间定量关系，建立叶绿素荧光动力学法与传统气体交换法测量结果之间的换算关系，实现水体中浮游植物初级产生力快速测量，具体过程如下：

(1)、测量浮游植物光合作用速率：

在实际水体中光适应条件下，测量浮游植物叶绿素荧光动力学曲线，解析获得光适应下浮游植物的PSII功能吸收截面σ、光化学淬灭q_p、电子传递效率φ_e、光化学量子效率△φ_m，根据生物膜能流理论，利用公式(1)计算浮游植物光合作用速率ψ：

ψ＝σ×q_p×φ_e×(△φ_m/0.65) (1)；

(2)、测量浮游植物光合反应中心浓度：

在暗适应条件下，测量浮游植物叶绿素荧光动力学曲线，解析获得暗适应下浮游植物的本底荧光F₀和PSII功能吸收截面σ₀，其中F₀是光合反应中心完全处于开放状态、非光化学过程最小时的色素释放荧光，只与反应中心光能吸收效率有关，而σ₀是光合色素对光能吸收效率参数，因此利用公式(2)便可计算浮游植物光合反应中心浓度[RCII]：

其中，η为光化学效率与荧光量子效率比常数，通过与氧脉冲对比实验测定；

(3)、计算浮游植物初级生产力：

浮游植物初级生产力与光合反应中心浓度[RCII]、光合作用速率ψ、实际 水体中光照强度E成正比，通过公式(3)直接测量获得单位时间、单位体积内水体中浮游植物活体细胞光合作用电子传递通量P_e：

从电子或能量传递角度分析，光合放氧速率、CO₂固定速率都取决于光合作用过程中电荷的分离与传递速率，理论上，光合作用每裂解两个水分子，产生4个电子，固定1个CO₂，因此，通过下列公式(4)、(5)能够推算浮游植物光合放氧和固碳量，建立叶绿素荧光法与传统气体交换法测量结果间的对应关系：

公式(3)、(4)、(5)中，P_e、和分别为叶绿素荧光法、光合放氧法和CO₂固定法测量的浮游植物初级生产力，单位分别为[e]/m³/s、mg[C]/m³/h和mg[O]/m³/h。

2.根据权利要求1所述的基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，其特征在于：所述传统气体交换法包括但不限于黑白瓶法、¹⁴C示踪法、 ¹⁸O示踪法。

3.根据权利要求1所述的基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，其特征在于：步骤(2)中，暗适应条件下指暗适应时间在5min以上。