19.3. Методи визначення первинної продукції

Серед методів визначення первинної продукції у гідроекологічній практиці найбільш поширені киснева тарадіовуглецева модифікації склянкового методу [80].

З метою встановлення швидкості новоутворення органічної речовини А. Пюттер ще в 1908 р. запропонував визначати концентрацію кисню в світлих і темних склянках, заповнених природною водою, після їх добової експозиції. Цей метод отримав назву визначення первинної продукції методом склянок. В його основі лежить визначення кисню, який утворюється у світлих склянках у процесі фотосинтезу і погли Проби води, відібрані батометром, експонують у водному об'єкті на певних глибинах в герметично закритих склянках світлих (прозорих) і темних. У світлій склянці одночасно відбуваються процеси фотосинтезу і дихання всіх організмів планктону. У темній протікають процеси дихання (деструкції), при яких кисень поглинається. Щоб встановити приріст чи зменшення вмісту кисню протягом досліду, перед експозицією склянок визначають його вихідний вміст у воді водного об'єкта.

Темні склянки фарбують у чорний колір або вміщують у чорні непрозорі мішечки. Об'єм склянок залежить від щільності фітопланктону і може коливатися в межах від 50 до 500 мл. Склянки підвішують на тросах або спеціальних підставках. Після закінчення експозиції із склянок відбирають пробу 50—100 мл і фіксують в ній кисень, його вміст потім визначається хімічним методом Вінклера, або застосовують кисневі датчики, за допомогою яких кисень визначається електрометричне.

Внаслідок проведеного таким чином експерименту, отримують три основних показники: а) вихідну, або контрольну концентрацію кисню (К); б) концентрацію кисню в прозорих склянках (С); в) концентрацію кисню в темній склянці (Т).

Валова первинна продукція А розраховується в міліграмах кисню на 1 дм³: А = С — Т. Деструкція і чиста продукція обчислюються за формулами відповідно R = К — Т і Р = С — К.

Визначають звичайно добову продукцію, експонуючи склянки протягом 24 год, що пов'язано з добовим циклом сонячного освітлення: фотосинтез найбільш інтенсивний з 10 год ранку до 4—6 год вечора, у темні години посилюється деструкція, а за добу отримується середня величина. Проте за деяких умов час експозиції доводиться значно зменшувати (до 2—4 год). Така більш коротка експозиція застосовується при «цвітінні» води, коли внаслідок інтенсивного фотосинтезу водоростей реакція середовища зміщується в лужну сторону, падає вміст біогенних елементів, тому фотосинтетична активність фітопланктону знижується і починають переважати процеси деструкції.

Значні методичні труднощі можуть виникати при визначенні первинної продукції, якщо масово розвиваються синьо-зелені водорості — такі як Microcystis aeruginosa і Aphanizo-menon flos-aquae. Останній вид в умовах замкнених склянок (і навіть у відкритих посудинах) дуже швидко піддається лізису, при цьому поглинається кисень і посилюється деструкція. Крім того, обидві ці водорості виділяють токсичні метаболіти, які можуть призводити до самоотруєння. Якщо в планктоні багато мертвих клітин та колоній, то в прозорих склянках може переважати поглинання кисню. Тому перед початком експозиції необхідно перевірити співвідношення живих і мертвих клітин в пробі за допомогою люмінесцентного мікроскопа (живі клітини світяться червоним кольором, мертві — зеленим).

Навпаки, при дуже активному фотосинтезі і накопиченні кисню в газових вакуолях клітини водоростей можуть спливати на поверхню води і забиватися в щілини між горловиною склянки та пробкою, а навколо клітин утворюються пухирці кисню. Надмірне виділення кисню призводить до того, що значна його частина переходить у газову фазу і зрештою формує великий газовий пухир, в який дифундує весь новоутворюваний кисень (так звана «фізична зябра»). Коли склянку відкривають, цей кисень миттєво виділяється в повітря і, отже, не може бути врахований при його остаточному визначенні, що є причиною досить значних помилок. При звичайних рівнях концентрації фітопланктону і відсутності «синьозеленого цвітіння» таких помилок не виникає.

На підставі показників продукції та деструкції розраховують A/R — відношення валової продукції до деструкції. За наявності даних про біомасу визначаютьА/В (валову питому продукційну здатність водоростей) або Р/В, де Р — чиста первинна продукція водоростей. Усі ці показники мають істотне значення для розрахунку продуктивності водойм, а при перерахунку на енергетичні одиниці — для загальної оцінки енергомісткості водної екосистеми.

Зниження інтенсивності деструкції може свідчити про наявність у воді бактерицидних речовин. Наприклад, після Чорнобильської аварії у Київське водосховище стали надходити так звані катіоногенні поверхнево активні речовини, які застосовувалися для дезактивації територій, забруднених радіонуклідами. Бактерицидні речовини пригнічують життєдіяльність бактерій, і це відбивається на рівні деструкційних процесів.

Первинна продукція фітобентосу та епіфітних угруповань водоростей вимірюється аналогічно фітопланктону, з тією різницею, що остаточні розрахунки для фітобентосу виконуються на одиницю площі в міліграмах кисню на 10 см² за добу або в грамах кисню на 1 м² за добу), а для епіфітних угруповань водоростей на одиницю маси вищих водяних рослин (мг 0₂ на 1 г сирої або сухої маси рослин за добу).

Друга модифікація склянкового методу — радіовуглецева. Вона дає змогу визначати не тільки первинну продукцію водоростей, а й бактеріальну продукцію, проте не дає інформації про деструкцію.

У склянку з рослинами (або культурою бактерій) вносять радіоактивний елемент ¹⁴С у складі NaH¹⁴CO₃ або Na₂¹⁴CO₃, який у процесі фотосинтезу включається в синтезовану органічну речовину. Для визначення первинної продукції світлі (прозорі) і темні склянки заповнюють водою з фітопланктоном і в кожну з них додають по 0,1 мл розчину NaH¹⁴CO₃ з питомою активністю 1—5*10⁶ імп./(хв. мл). Усі склянки експонують протягом 4—6 год у водоймі або в люміностаті. Не розглядаючи детально процедуру радіовуглецевого методу, звернемо увагу на його принципові засади.

У основу методу покладена властивість ¹⁴С включатись у процеси синтезу органічної речовини з тією ж швидкістю, що і нерадіоактивний вуглець. Виходячи з величини внесеної радіоактивності R, радіоактивності міченого в процесі фотосинтезу фітопланктону г, вмісту вуглекислоти у всіх її формах у воді С_к, можна розрахувати споживання мінерального вуглецю Р за час експозиції t. Тобто первинна продукція розраховується за формулою:

Р = (r - С_к)/R

і виражається в одиницях вуглецю.

Інтенсивність утворення первинної продукції вимірюють У грамах вуглецю на 1 м³ (або на 1 м²) за одиницю часу (годину, добу, сезон).

Порівняння результатів, отриманих радіовуглецевим і кисневим методами, свідчить, що при короткострокових експозиціях (2—4 год) радіовуглецевий метод показує величини продукції близькі до валової, а при більш тривалих (12—24 год) — до чистої продукції.

Визначення первинної продукції вищих водяних рослин здійснюється за найбільшою для всього вегетаційного періоду фітомасою. Щоб врахувати опад листя та відмирання деяких частин протягом вегетації, вводиться коефіцієнт, тобто надбавка до максимальної фітомаси, для більшості рослин він прийнятий 1,2.

Для визначення продукції вищих водяних рослин збирають і зважують їх надземну масу з ділянок площею 0,25; 0,5 або 1 м² (для плаваючих рослин 4 м²). Абсолютно суху масу з таких проб одержують після висушування у сушильній шафі при температурі від 60 до 100 °С.

Щоб визначити продукцію (виділення і поглинання кисню вищими водяними рослинами, зокрема для оцінки їх ролі в кисневому балансі водних екосистем) користуються кисневою модифікацією склянкового методу. Для цього відокремлену частину рослини вміщують у світлі (прозорі) і темні склянки з широкою горловиною, заповнюють їх водою, взятою із зони заростей, і експонують на відповідній глибині. Можна також використовувати склянки (циліндри, колби тощо), що закриваються герметичне за допомогою спеціальних пристроїв, і надягати їх на невідокремлені частини рослин безпосередньо у водоймі. Враховуючи великий об'єм фітомаси, тривалість експозиції можна скоротити (2—4 год). Після закінчення експозиції і видалення рослин у склянках визначають концентрацію кисню. Встановивши масу кожної рослини, експонованої в склянках, розраховують продукцію, виходячи з кількості утвореного ними кисню. Знаючи питому продукцію рослини, а також загальну масу заростей, для яких оцінена питома продукція, розраховують продукцію на загальній площі.

Враховуючи, що у воді, взятій із заростей макрофітів, є і водорості, визначають і їх продукцію. З цією метою склянки (прозорі і темні) паралельно заповнюються водою, взятою із заростей, для визначення продукції і деструкції фітопланктону. Звичайно в усіх експериментах визначається початкова (контрольна) концентрація кисню у воді у місцях заростей.