Методы определения биомассы фитопланктона

Биомасса выражается массой особей популяции или сообщества, отнесенной к единице площади (м², га, км²) или к единице объема (см³, л, м³). Биомассу фитопланктона выражают в весовых единицах сырого, сухого, сухого обеззоленного вещества или органического углерода.

Для вычисления биомассы популяции необходимо определить средний объем клетки или, в зависимости от целей исследования, всех встреченных в камере клеток. Удельный вес водорослей условно принимается равным 1,0. Форма клеток приравнивается к близкому геометрическому телу. Поскольку подавляющее большинство обильных видов имеет форму шара, цилиндра, эллипсоида или двух конусов, то каждый исследователь может составить себе таблицы объемов этих тел и постоянно пользоваться ими, причем по таблице, составленной для определения объемов эллипсоидов, можно определять объемы шаров и двух конусов (объем двух конусов равен половине объема эллипсоида). В случае более сложной формы клетки приходится вычислять объем индивидуально.

Найденный для каждой клетки объем (в мкм³) умножается на ее численность (в тыс.кл/л), и биомасса выражается в граммах в 1 м³ воды с точностью до 0,1 или 0,01 г/м³ (212 тыс.кл.х 1272 мкм³ = 0,27 г/м³).

Если была обработана тотальная проба, то полученная биомасса будет отражать среднюю для всей глубины. Перемножением ее на глубину станции (в м) находят биомассу под 1 м² поверхности. Если была отобрана серия проб по вертикали с промежутком в 1 м, то среднюю биомассу находят как среднюю арифметическую, если промежутки были неодинаковы, то - как взвешенную среднюю арифметическую:

г де υ - биомасса (в г/м³) _с определенного горизонта; р - 1/2 промежутка (в м) между отобранными пробами (рис. 2); Συр - биомасса фитопланктона под 1 м³ поверхности; М - взвешенная средняя арифметическая биомасса.

Анализ распределения фитопланктона по акватории и периодичности его сезонного и годичного развития можно проводить только по средневзвешенной (средней для всего столба воды) биомассе, а продуктивность разных станций - по биомассе под 1 м поверхности. При публикации материалов весьма желательно приводить табличные данные по обоим показателям с тем, чтобы ими могли воспользоваться исследователи смежных специальностей.

Кроме того, биомассу фитопланктона выражают в единицах энергии калориях. Средняя калорийность беззольного вещества сухой массы водорослей и макрофитов составляет 4,6-4,7 ккал/г, что позволяет принять допущение, что 1 г органического углерода биомассы эквивалентен 10 ккал.

Методы определения продукции фитопланктона

Мерой первичной продукции служит скорость образования органического вещества автотрофными организмами, отнесенная к единице площади или объему водоема. Ее выражают в единицах массы, энергии или в эквивалентных показателях, в единицу времени.

Как известно, фотосинтез, а, следовательно, образование органического вещества происходит только на свету при участии хлорофилла. При этом поглощается углекислота и выделяется свободный кислород. Определяя на свету и в темноте количество поглощенной углекислоты или количество выделившегося кислopoдa при фотосинтезе, можно получить представление о величине первичной продукции.

Различают валовую и чистую (= эффективную) первичную продукцию. Термин «валовая продукция» относится ко всему вновь созданному фототрофными организмами органическому веществу. Она представляет собой результат истинного фотосинтеза, т.е. скорость образования при фотосинтезе органическогo вещества. Однако часть образованных продуктов фотосинтеза сразу же используется в процессе дыхания самих фотосинтезирующих организмов. Оставшаяся часть, которая представляет собой разность между валовой продукцией фитопланктона и тратами на обмен, идущая на прирост массы фотосинтезирующих организмов, называется чистая или эффективная продукция.

В настоящее время измерения первичной продукции основаны в основном на двух различных подходах. Одним из основных является метод определения первичной продукции в изолированных объемах воды с естественным сообществом фитопланктона. Это скляночный метод в двух модификациях - кислородной и радиоуглеродной. Пробы экспонируются на тех же глубинах, где они были отобраны (так называемые измерения in situ), или в искусственных условиях - при солнечном освещении или под лампами. Преимущества такого подхода заключаются в возможности изучения продукционных процессов непосредственно в среде обитания водорослей. Однако при этом необходимо иметь в виду изменения скорости фотосинтеза под влиянием изолирования образцов воды с фитопланктоном, воздействие так называемого "скляночного эффекта".

Другой метод основан на измерении содержания в водорослях фотоактивных пигментов. В этом случае принимается наличие прямой зависимости между интенсивностью фотосинтеза и концентрацией некоторых пигментов (обычно хлорофилла а). Однако необходимо иметь в виду, что расчет на основании определения концентрации хлорофилла дает достаточно грубую оценку первичной продукции, поскольку количество ассимилируемой в ходе фотосинтеза углекислоты одной весовой единицей хлорофилла в единицу времени (так называемое ассимиляционное число - АЧ) варьирует весьма существенно в зависимости от факторов среды, физиологического состояния и состава фитопланктона. Вместе с тем очевидная простота спектрофотометрического измерения хлорофилла а позволяет рекомендовать хлорофилльный метод для гидробиологических исследований.

Отбор проб для определения первичной продукции проводится так же, как и при изучении видового состава и биомассы фитопланктона. Объем батометра должен быть достаточно большим, чтобы количества воды хватило не только для заполнения всех продукционных склянок, но и для учета биомассы фитопланктона, пигментов, а при необходимости, и для проведения других сопутствующих анализов. Для этих целей в пресных водоемах рекомендуется использовать 1-, 3-, 5-литровые пластиковые батометры из непрозрачного материала.

Металлические и прозрачные батометры для изучения продукционных процессов не подходят, металл влияет на продукционные показатели фитопланктона, а яркий свет ингибирующе действует на водоросли. При отсутствии необходимых мер предосторожности (затенения) фитопланктон подвергается хотя и кратковременному, но сильному облучению дневным светом. Из-за светового шокa фотосинтетические процессы фитопланктона как бы замирают на 30-60 мин.

Глубина расположения горизонтов, на которых определяется фотосинтез, зависит от прозрачности воды и количества проникающего света. Исходные данные по фотосинтезу должны быть получены с 5-7 горизонтов фотического слоя водоема. За нижнюю его границу рекомендуется принимать глубину проникновения 1% солнечного света от измеренного в поверхностном горнзонте.

При этом можно придерживаться следующих рекомендаций - измерение фотосинтеза необходимо проводить на глубинах, куда проникает 100%, 50%, 10%, 5%, 2% от падающего на поверхность света. Например, на водоемах с прозрачностью по диску Секки 2 м такими глубинами могут быть: поверхностный слой, 0,25 м, 0,5 м , 1 м, 2 м, 3 м, 4 м.

Более частое расположение первых горизонтов обусловлено необходимостью уловить максимум фотосинтеза, который обычно находится в верхней части фотического слоя, где задерживается более половины проникающего света.

При изучении продукции фитопланктона в качестве изолирующего агента используют стеклянные сосуды. Однако стекло поглощает часть солнечного света, особенно в коротковолновой области спектра, позтому световые условия в склянках будут несколько отличаться от естественных. Для рутинных гидробиологических работ наиболее удобны склянки, изготовленные из стекла. Сосуды из кварцевого стекла слишком дорогие, а пластиковые, хотя и обладают хорошими оптическими свойствами, быстро зарастают бактериями.

Для изучения продукционных процессов используют округлые или плоские склянки с притертыми пробками объемом 100-300 мл. «Темные» склянки изготавливают из темного стекла или заворачивают их в темную изоляционную ленту, алюминиевую фольгу, мешочки из темной ткани. Можно помещать обычные кислородные склянки в темные баки с плотно закрытыми крышками.

Время экспозиции склянок in situ не должно быть меньше 2 ч и превышать половину светового дня. Экспозиция меньше 2 ч повышает возможность влияния ошибки, связанной с временным шоком фитопланктона, вызванным воздействием света при заполнении склянок водой. При более длительных экспозициях возможны ошибки за счет так называемого «скляночного эффекта» (изменения газового режима, концентрации биогенных элементов, развития бактерий, оседания водорослей и др.).

В опытах in situ экспонирование продукционных склянок на определенном гoризонте обычно осуществляется с помощью поддерживаемого в вертикальном положении троса с крючками или зажимами. Обычно на каждом горизонте подвешивают как минимум две "светлые" и две "темные" склянки. Необходимо следить, чтобы подвешенные на тросе склянки не затеняли друг друга.

При изучении первичной продукции на больших водоемах, проводимых как на экспедиционных судах, регyлярные опыты in situ невозможны, т.к. они связаны с длительной стоянкой судна. Поэтому эксперименты проводят непосредственно на судне в специальных "инкубаторах", различающихся в зависимости от того, какой свет - искусственный или солнечный - в них используется.