Морской гидрофизический журнал. 2021; 37: 73-84
Зависимость квантового выхода фотосинтеза от поглощения света фитопланктоном: получение количественных связей для оценки первичной продукции в Черном море
Чурилова Т. Я., Суслин В. В., Сосик Х. М.
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-73-84Аннотация
Цель. На основе результатов экспедиционных исследований, включающих основные гидрофизические характеристики вод, концентрацию хлорофилла а, световые кривые зависимости скорости фотосинтеза, спектральные показатели поглощения света пигментами фитопланктона и спектральную квантовую облученность в водной толще, было проведено исследование зависимости квантового выхода от условий в среде с целью адаптации подхода к оценке квантового выхода фотосинтеза, разработанного для Балтийского моря, к условиям Черного моря.
Методы и результаты. Комплексные гидрофизические и биологические исследования проводились на нескольких глубинах зоны фотосинтеза. Спектральные биооптические показатели измеряли в соответствии с современным протоколом NASA (2018). Эксперименты по исследованию световой зависимости скорости фотосинтеза выполняли в температурных и световых условиях, максимально приближенных к условиям in situ. Квантовый выход фотосинтеза рассчитывали на основе измеренных параметров фотосинтеза (эффективности фотосинтеза, параметра светового насыщения фотосинтеза) и спектральных показателей поглощения света пигментами фитопланктона. Было показано изменение с глубиной в зоне фотосинтеза основных фотосинтетических характеристик фитопланктона, в том числе максимального квантового выхода фотосинтеза, доли фотопротекторных вспомогательных пигментов в общем поглощении света фитопланктоном, что связано с фотоадаптацией фитопланктона к условиям в среде в период сезонной стратификации вод. Установлена зависимость между квантовым выходом фотосинтеза и количеством квантов солнечной энергии, поглощенных фотосинтетически активными пигментами фитопланктона. В результате проведенных исследований уравнение расчета квантового выхода, разработанное для других акваторий, было модифицировано к условиям Черного моря.
Выводы. Впервые проведенные в Черном море комплексные исследования, включающие измерения световых зависимостей фотосинтеза, спектральных показателей поглощения света пигментами фитопланктона и спектральной квантовой облученности на разных глубинах зоны фотосинтеза позволили получить уравнение для расчета квантового выхода фотосинтеза, которое будет использовано для проведения расчетов первичной продукции Черного моря с использованием спектрального подхода как на основе результатов натурных наблюдений, так и с использованием данных дистанционного зондирования.
Список литературы
1. Primary productivity of planet earth: biological determinants and physical constraints in terrestrial and aquatic habitats / R. J. Geider [et al.] // Global Change Biology. 2001. Vol. 7, iss. 8. P. 849–882. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2001.00448.x
2. Falkowski P. G. Raven J. A. Aquatic photosynthesis. Princeton : Princeton University Press, 2007. 488 p. doi:10.2307/j.ctt4cgbxs
3. Phytoplankton productivity: Carbon assimilation in marine and fresh-water Ecosystems / Eds. P. J. le B. Williams, D. N. Thomas, C. S. Reynolds. Garsington : Blackwell Science Ltd, 2002. 400 p. doi:10.1002/9780470995204
4. Спектральный подход к оценке скорости фотосинтеза фитопланктона в Черном море по спутниковой информации: методологические аспекты развития региональной модели / Т. Я. Чурилова [и др.] // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. 2016. Т. 9, № 4. С. 367–384. https://doi.org/10.17516/1997-1389-2016-9-4-367-384
5. Light Absorption by Phytoplankton in the Upper Mixed Layer of the Black Sea: Seasonality and Parameterization / T. Churilova [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2017. Vol. 4. 90. https://doi.org/10.3389/fmars.2017.00090
6. Phytoplankton light absorption in the deep chlorophyll maximum layer of the Black Sea / T. Churilova [et al.] // European Journal of Remote Sensing. 2019. Vol. 52, iss. suppl. 1. P. 123–136. https://doi.org/10.1080/22797254.2018.1533389
7. Smyth T. J., Tilstone G. H., Groom S. B. Integration of radiative trans-fer into satellite models of ocean primary production // Journal of Ge-ophysical Research: Oceans. 2005. Vol. 110, iss. C10. C10014. https://doi.org/10.1029/2004JC002784
8. Quantum yield of photosynthesis in the Baltic: a new mathematical expression for remote sensing applications / B. Woźniak [et al.] // Oceanologia. 2007. Vol. 49, iss. 4. P. 527–542. URL: http://www.iopan.gda.pl/oceanologia/494wozni.pdf (дата обращения: 10.01.2021).
9. Чурилова Т. Я. Поглощение света фитопланктоном и детритом в Черном море в весенний период // Океанология. 2001. Т. 41, № 5. С. 719–727.
10. Yentsch C. S. Measurement of visible light absorption by particulate matter in the ocean // Limnology and Oceanography. 1962. Vol. 7, iss. 2. P. 207–217. https://doi.org/10.4319/lo.1962.7.2.0207
11. Mitchell B., Kiefer D. A. Chlorophyll a specific absorption and fluores-cence excitation spectra for light-limited phytoplankton // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1988. Vol. 35, iss. 5. P. 639–663. https://doi.org/10.1016/0198-0149(88)90024-6
12. IOCCG Ocean Optics and Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sensor Validation. Volume 1.0 : Inherent Optical Prop-erty Measurements and Protocols: Absorption Coefficient / Eds.: A. R. Neeley, A. Mannino. Dartmouth, NS, Canada : IOCCG, 2018. 78 p. http://dx.doi.org/10.25607/OBP-119
13. Mitchell B. G. Algorithms for determining the absorption coefficient for aquatic particulates using the quantitative filter technique // Pro-ceedings of SPIE: Ocean Optics X. 1990. Vol. 1302. P. 137–148. https://doi.org/10.1117/12.21440
14. Estimation of the spectral absorption coefficients of phytoplankton in the sea / M. Kishino [et al.] // Bulletin of Marine Science. 1985. Vol. 37, no. 2. P. 634–642.
15. Изменчивость фотосинтетических параметров фитопланктона в поверхностном слое Черного моря / З. З. Финенко [и др.] // Океа-нология. 2002. Т. 42, № 1. С. 60–75.
16. Photosynthesis and photoadaptation of marine phytoplankton in the arctic / T. Platt [et al.] // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1982. Vol. 29, iss. 10. P. 1159–1170. https://doi.org/10.1016/0198-0149(82)90087-5
17. Bidigare R. R., Prézelin B. B., Smith R. C. Bio-optical models and the problems of scaling // Primary productivity and biogeochemical cycles in the sea / Eds. P. G. Falkowski, A. D. Woodhead, K. Vivirito. Bos-ton, MA : Springer, 1992. P. 175–212. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-0762-2_11
18. Pigment absorption and quantum yields in the Arabian Sea / J. Marra [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2000. Vol. 47, iss. 7–8. P. 1279–1299. https://doi.org/10.1016/S0967-0645(99)00144-7
19. Kirk J. T. O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. 3d ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. 662 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139168212
20. Nitrogen- and irradiance-dependent variations of the maximum quan-tum yield of carbon fixation in eutrophic, mesotrophic and oligo-trophic marine systems / M. Babin [et al.] // Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1996. Vol. 43, iss. 8. P. 1241–1272. https://doi.org/10.1016/0967-0637(96)00058-1
21. Финенко З. З., Чурилова Т. Я., Сосик Х. М. Вертикальное распределение фотосинтети-ческих характеристик фитопланктона в Черном море // Океанология. 2004. Т. 44, № 2. C. 222–237.
22. Dissolved and suspended matter variability in coastal waters: photo-synthetic available light / T. Churilova [et al.] // Proceedings of SPIE: 24th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2018. Vol. 10833. Article 1083365. https://doi.org/10.1117/12.2504637
23. Churilova T., Finenko Z., Tugrul S. Light absorption and maximum quantum yield of photosynthesis during autumn phytoplankton bloom in the western Black Sea // Морской экологический журнал. 2008. Vol. 7, no. 3. P. 75–86. URL: https://repository.marine-re-search.org/bitstream/299011/975/1/MEJ_Churilova_et_al_2007_corrected.pdf (дата обра-щения: 20.12.2020).
24. Photoacclimation of photosynthesis irradiance response curves and photosynthetic pigments in microalgae and cyanobacteria / H. L. Mac-Intyre [et al.] // Journal of Phycology. 2002. Vol. 38, iss. 1. P. 17–38. https://doi.org/10.1046/j.1529-8817.2002.00094.x
25. Чурилова Т. Я., Финенко З. З., Акимов А. И. Пигменты микроводорослей // Микроводоросли Черного моря: проблемы сохранения биоразнообразия и биотехнологического использования. Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2008. С. 301–319. URL: http://repository.marine-research.org/handle/299011/5521 (дата обращения: 20.12.2020).
26. Dependence of the photosynthesis quantum yield in oceans on environmental factors / B. Woźniak [et al.] // Oceanologia. 2002. Vol. 44, iss. 4. P. 439–459. URL: https://www.iopan.pl/oceanologia/444wozni.pdf (date of access: 20.11.2020).
27. Ficek D. Modelling the quantum yield of photosynthesis in various marine systems. Sopot : Institute of Oceanology PAS, 2001. 224 p. (Rozprawy i Monografie IO PAN ; Issue 14).
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2021; 37: 73-84
Dependence of the Photosynthesis Quantum Yield on Phytoplankton Light Absorption: Equations for Assessing Primary Production in the Black Sea
Churilova Т. Ya., Suslin V. V., Sosik H. M.
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2021-1-73-84Abstract
Purpose. Based on the results of the investigations that were performed during the scientific cruise and included the water hydrophysical characteristics, the chlorophyll a concentration, the photosynthesis-light dependences, the spectral light absorption coefficients by phytoplankton, and the spectral quantum downwelling irradiance, the dependence of the photosynthesis quantum yield upon the environmental factors was studied with the purpose of adaptation of the developed for the Baltic Sea approach for assessing the photosynthesis quantum yield, to the Black Sea.
Methods and Results. Complex hydrophysical and biological studies were carried out at several depths within the photosynthesis zone. Spectral bio-optical parameters were measured in accordance with the modern NASA protocol (2018). The experiments on studying the photosynthesis-light relationship were performed under the temperature and light conditions close to the in situ ones. The quantum yield of photosynthesis was calculated based on the parameters of photosynthesis-light dependences (photosynthesis efficiency, light saturation parameter) and the spectral light absorption coefficients by phytoplankton pigments. It was found out that the main photosynthetic characteristics of phytoplankton including the photosynthesis maximum quantum yield and the portion of photoprotective accessory pigments in the total light absorption by phytoplankton varied with depth within the euphotic zone due to phytoplankton adaptation to the environment factors during the period of water seasonal stratification. The relationship between the photosynthesis quantum yield and the number of solar energy quanta absorbed by the photosynthetically active phytoplankton pigments was revealed. The results of the performed research allowed for modifying the equation for calculating the quantum yield for the Black Sea environment conditions according to the approach developed for the other water areas.
Conclusions. For the first time, comprehensive studies carried out in the Black Sea and including the measurements of the photosynthesis-light dependences, the spectral light absorption coefficients by phytoplankton and spectral downwelling irradiance at particular optical depths within the euphotic zone enabled to reveal the equation for calculating the photosynthesis quantum yield, which could be applied for calculating primary production of the Black Sea using the spectral approach based both on the results of in situ measurements and the remote sensing data.
References
1. Primary productivity of planet earth: biological determinants and physical constraints in terrestrial and aquatic habitats / R. J. Geider [et al.] // Global Change Biology. 2001. Vol. 7, iss. 8. P. 849–882. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2001.00448.x
2. Falkowski P. G. Raven J. A. Aquatic photosynthesis. Princeton : Princeton University Press, 2007. 488 p. doi:10.2307/j.ctt4cgbxs
3. Phytoplankton productivity: Carbon assimilation in marine and fresh-water Ecosystems / Eds. P. J. le B. Williams, D. N. Thomas, C. S. Reynolds. Garsington : Blackwell Science Ltd, 2002. 400 p. doi:10.1002/9780470995204
4. Spektral'nyi podkhod k otsenke skorosti fotosinteza fitoplanktona v Chernom more po sputnikovoi informatsii: metodologicheskie aspekty razvitiya regional'noi modeli / T. Ya. Churilova [i dr.] // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Biologiya. 2016. T. 9, № 4. S. 367–384. https://doi.org/10.17516/1997-1389-2016-9-4-367-384
5. Light Absorption by Phytoplankton in the Upper Mixed Layer of the Black Sea: Seasonality and Parameterization / T. Churilova [et al.] // Frontiers in Marine Science. 2017. Vol. 4. 90. https://doi.org/10.3389/fmars.2017.00090
6. Phytoplankton light absorption in the deep chlorophyll maximum layer of the Black Sea / T. Churilova [et al.] // European Journal of Remote Sensing. 2019. Vol. 52, iss. suppl. 1. P. 123–136. https://doi.org/10.1080/22797254.2018.1533389
7. Smyth T. J., Tilstone G. H., Groom S. B. Integration of radiative trans-fer into satellite models of ocean primary production // Journal of Ge-ophysical Research: Oceans. 2005. Vol. 110, iss. C10. C10014. https://doi.org/10.1029/2004JC002784
8. Quantum yield of photosynthesis in the Baltic: a new mathematical expression for remote sensing applications / B. Woźniak [et al.] // Oceanologia. 2007. Vol. 49, iss. 4. P. 527–542. URL: http://www.iopan.gda.pl/oceanologia/494wozni.pdf (data obrashcheniya: 10.01.2021).
9. Churilova T. Ya. Pogloshchenie sveta fitoplanktonom i detritom v Chernom more v vesennii period // Okeanologiya. 2001. T. 41, № 5. S. 719–727.
10. Yentsch C. S. Measurement of visible light absorption by particulate matter in the ocean // Limnology and Oceanography. 1962. Vol. 7, iss. 2. P. 207–217. https://doi.org/10.4319/lo.1962.7.2.0207
11. Mitchell B., Kiefer D. A. Chlorophyll a specific absorption and fluores-cence excitation spectra for light-limited phytoplankton // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1988. Vol. 35, iss. 5. P. 639–663. https://doi.org/10.1016/0198-0149(88)90024-6
12. IOCCG Ocean Optics and Biogeochemistry Protocols for Satellite Ocean Colour Sensor Validation. Volume 1.0 : Inherent Optical Prop-erty Measurements and Protocols: Absorption Coefficient / Eds.: A. R. Neeley, A. Mannino. Dartmouth, NS, Canada : IOCCG, 2018. 78 p. http://dx.doi.org/10.25607/OBP-119
13. Mitchell B. G. Algorithms for determining the absorption coefficient for aquatic particulates using the quantitative filter technique // Pro-ceedings of SPIE: Ocean Optics X. 1990. Vol. 1302. P. 137–148. https://doi.org/10.1117/12.21440
14. Estimation of the spectral absorption coefficients of phytoplankton in the sea / M. Kishino [et al.] // Bulletin of Marine Science. 1985. Vol. 37, no. 2. P. 634–642.
15. Izmenchivost' fotosinteticheskikh parametrov fitoplanktona v poverkhnostnom sloe Chernogo morya / Z. Z. Finenko [i dr.] // Okea-nologiya. 2002. T. 42, № 1. S. 60–75.
16. Photosynthesis and photoadaptation of marine phytoplankton in the arctic / T. Platt [et al.] // Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers. 1982. Vol. 29, iss. 10. P. 1159–1170. https://doi.org/10.1016/0198-0149(82)90087-5
17. Bidigare R. R., Prézelin B. B., Smith R. C. Bio-optical models and the problems of scaling // Primary productivity and biogeochemical cycles in the sea / Eds. P. G. Falkowski, A. D. Woodhead, K. Vivirito. Bos-ton, MA : Springer, 1992. P. 175–212. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-0762-2_11
18. Pigment absorption and quantum yields in the Arabian Sea / J. Marra [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2000. Vol. 47, iss. 7–8. P. 1279–1299. https://doi.org/10.1016/S0967-0645(99)00144-7
19. Kirk J. T. O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. 3d ed. Cambridge : Cambridge University Press, 2011. 662 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139168212
20. Nitrogen- and irradiance-dependent variations of the maximum quan-tum yield of carbon fixation in eutrophic, mesotrophic and oligo-trophic marine systems / M. Babin [et al.] // Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 1996. Vol. 43, iss. 8. P. 1241–1272. https://doi.org/10.1016/0967-0637(96)00058-1
21. Finenko Z. Z., Churilova T. Ya., Sosik Kh. M. Vertikal'noe raspredelenie fotosinteti-cheskikh kharakteristik fitoplanktona v Chernom more // Okeanologiya. 2004. T. 44, № 2. C. 222–237.
22. Dissolved and suspended matter variability in coastal waters: photo-synthetic available light / T. Churilova [et al.] // Proceedings of SPIE: 24th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2018. Vol. 10833. Article 1083365. https://doi.org/10.1117/12.2504637
23. Churilova T., Finenko Z., Tugrul S. Light absorption and maximum quantum yield of photosynthesis during autumn phytoplankton bloom in the western Black Sea // Morskoi ekologicheskii zhurnal. 2008. Vol. 7, no. 3. P. 75–86. URL: https://repository.marine-re-search.org/bitstream/299011/975/1/MEJ_Churilova_et_al_2007_corrected.pdf (data obra-shcheniya: 20.12.2020).
24. Photoacclimation of photosynthesis irradiance response curves and photosynthetic pigments in microalgae and cyanobacteria / H. L. Mac-Intyre [et al.] // Journal of Phycology. 2002. Vol. 38, iss. 1. P. 17–38. https://doi.org/10.1046/j.1529-8817.2002.00094.x
25. Churilova T. Ya., Finenko Z. Z., Akimov A. I. Pigmenty mikrovodoroslei // Mikrovodorosli Chernogo morya: problemy sokhraneniya bioraznoobraziya i biotekhnologicheskogo ispol'zovaniya. Sevastopol': EKOSI-Gidrofizika, 2008. S. 301–319. URL: http://repository.marine-research.org/handle/299011/5521 (data obrashcheniya: 20.12.2020).
26. Dependence of the photosynthesis quantum yield in oceans on environmental factors / B. Woźniak [et al.] // Oceanologia. 2002. Vol. 44, iss. 4. P. 439–459. URL: https://www.iopan.pl/oceanologia/444wozni.pdf (date of access: 20.11.2020).
27. Ficek D. Modelling the quantum yield of photosynthesis in various marine systems. Sopot : Institute of Oceanology PAS, 2001. 224 p. (Rozprawy i Monografie IO PAN ; Issue 14).
События
-
Журнал «Современная наука и инновации» принят в DOAJ >>>
28 июл 2025 | 08:36 -
К платформе Elpub присоединились 4 журнала КФУ >>>
24 июл 2025 | 08:39 -
Журнал «Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)» вошел в Russian Science Citation Index >>>
23 июл 2025 | 08:38 -
Журнал «Літасфера» присоединился к Elpub! >>>
22 июл 2025 | 11:00 -
К платформе Elpub присоединился журнал «Труды НИИСИ» >>>
21 июл 2025 | 10:43