延迟荧光技术及其在活体浮游植物测量中的应用

 

摘要：本文介绍了一种活体浮游植物在线监测技术——延迟荧光测量技术及基于延迟荧光技术的DF藻类延迟荧光测量系统。活体藻类监测技术通过在线监测藻类的延迟荧光，自动记录活的浮游植物的生物量和组成，适用于浮游植物的自动在线持续监测。结合其他系统所测得的生态因子参数，分析浮游植物的季节变化模式，作为动态变化环境的函数。最终建立随季节而变化的生态因子和浮游植物生长之间的函数关系，可以充分地模拟各种水华的过程，从而达到预防水华发生的目的。本文还通过DF藻类延迟荧光测量系统举例说明延迟荧光技术在实际湖体监测中的应用。

关键词：活体浮游植物；水华；延迟荧光；在线监测

当一个流域的水流汇集到某一区域，随着水流的减慢，营养物质逐渐富集，在适宜的光照和温度下可以监测到藻类明显的增长，极易造成水华。因此，水华的形成是由活体藻类的大量繁殖引起，并受水体温度，营养盐含量，辐射等环境因素的影响。当前，我国主要江河、湖泊水体的水质总体上呈恶化趋势，水华事件频发，水质监测任务十分繁重。

植物利用光能，合成自身生长所需的化合物，并维持新陈代谢的进行。植物体内的天线色素接收太阳光，将光能转化成化学能。叶绿素在光合过程中起关键作用，和某些物质一样，在光照条件下能够释放出光，这种光叫做荧光。在活的植物体内，激发态和短暂的暗适应后都能释放出荧光，前者释放直接荧光，后者释放延迟荧光。

近20年来，出现了大量基于荧光理论的浮游植物监测仪器，大多是用于快速荧光的测量（Istvánovics et al. 2005）。Kautsky和Hirsch 早在1931年，就将快速荧光监测用于浮游植物的研究中。然而，快速荧光技术测量的是所有能释放荧光的物质，包括死的浮游植物和腐殖质。

本文介绍一种活体藻类检测技术——延迟荧光技术，以及活体浮游植物及生态环境在线监测系统（DF）。延迟荧光技术能够排除浮游植物和腐殖质对测量结果的影响，使水华的预测和防治更加快速有效。

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除了快速荧光，当植物由光照条件转到暗处时也会释放出荧光，这种荧光更微弱，持续时间更长，称为延迟荧光(DF)，由Strehler 和 Arnold (1951)发现。尽管延迟荧光发现得也很早，但一直没有被重视。Volkmar Gerhardt和他的合作者（1981）最早研究出了延迟荧光光谱技术。这种技术与快速荧光技术相比，具有明显的优势。

延迟荧光由电子逆流导致的点和重组产生(Gerhardt & Bodemer, 2000)，因此，只有具有光合活性的细胞才能产程延迟荧光，即延迟荧光是活细胞光合的专属特性，是光合效率的指示指标。延迟荧光技术可有效屏蔽再悬浮、死的生物和腐殖质对测量精度的干扰，其他荧光测量技术无法实现。延迟荧光技术和普通快速荧光技术的这一不同，对浅水湖或河流能起到决定性的作用，特别是那些经常发生再悬浮和洪浪而将一定量的退化藻类或没有光合功能的藻类带入水体的区域。因此，延迟荧光技术逐渐成为目前水华监测的研究热点。

活体浮游植物及生态环境在线监测系统（DF）基于延迟荧光技术，可进行延迟荧光两个方面的测量：延迟荧光动力学特征，即延迟荧光的消亡过程；延迟荧光光谱，即DF₀随不同激发光源波长的变化。这两个测量方法分别用于测量活体藻类的生物量及组成（系统工作流程如图1所示）。

                                   

   

 

活体浮游植物及生态环境在线监测系统（DF）用于在线监测藻类的延迟荧光，并自动记录活的浮游植物光合的生物量和组成，适用于天然浮游植物数量的持续和在线监测（系统在线监测如图2所示）。

          

                           

 

结合其他水文、气象与光学等水体生态因子，分析浮游植物的季节变化模式，作为动态变化环境的函数。最终建立随季节而变化的生态因子和浮游植物生长之间的函数关系，可以充分地模拟各种水华的过程，精确探测藻类和水华的形成和消亡，从而达到预防水华发生的目的^[1]。

2003-2004年对巴拉顿湖区的水生态因子，如水温、总辐射、光线垂直衰减、内部P负荷等进行监测，并以天为单位，使用DF藻类延迟荧光测量系统对蓝藻、绿藻、硅藻和隐藻4种藻类进行监测，利用所得数据分析浮游植物的季节变化模式，模拟各种水华的发生过程。实验结果表明，以上所测数据可以足够地模拟各种水华的形成和衰败。

DF藻类延迟荧光测量系统能够测量4种浮游植物分类（可扩展到6种）及生物量，可选增强型群落识别及光合速率-光曲线；其检测限为0.1 μg Chl/L，采样频率达6-10次/小时，可野外自动在线测量或便携测量。

 

DF藻类延迟荧光测量系统对Balaton湖从2003年3月到10月份的藻类组成（4类藻类）和生物量变化情况监测如下，其中精细记录了8月份的一次蓝藻的爆发。

 

 

                                 

在自然温度和光照条件下培养小球藻（Chlorella vulgaris），培养过程中，测量温度、辐射和叶绿素（Chl）含量，检测其DF（使用DF藻类延迟荧光测量系统）、量子效率（QE）和辐射能利用效率（ ）指数。数据分析表明，昼夜循环中DF信号与QE（ ）和 （r²=0.977,p＜0.01）均相关。

在瑞典的埃尔肯湖和匈牙利的巴拉顿湖，使用DF藻类延迟荧光测量系统记录产生光合作用的浮游植物生物量和光合作用-光照曲线（PI），并估算浮游植物的初级生产力，同时记录垂直方向的辐射衰减。分析表明，PI曲线在线检测可显著降低初级生产力估算的误差。这表明，由于发生沉积物和浮游植物再悬浮，在光照会发生迅速变化的浅表浑浊湖水中，随分钟或季节的不同时间尺度的变化也符合这种规律。这项新的理论对研究初级生产力的规律和长期高频率监测下水生态具有很好的前景。

 

                  

利用活体浮游植物及生态环境在线监测系统监测光合敏感藻类的时序数据，结合其他系统所测得的生态因子参数，分析浮游植物的季节变化模式，作为动态变化环境的函数。最终建立随季节而变化的生态因子和浮游植物的生长之间的函数关系，因此可以充分地模拟各种水华的过程，从而达到预防水华发生的目的。

 

[1]Istvánovics V., Honti M., Osztoics A.,H. M. Shafik, Padisák J., Y. Yacobi and W. Eckert (2005) On-line delayed fluorescence excitation spectroscopy,as a tool for continuous monitoring of phytoplankton dynamics and itsapplication in shallow Lake Balaton (Hungary). Freshwater Biology 50:1950-1970.

[2]Honti M., Istvánovics V.and Osztoics A. (2005) Measuring and modelling in situ dynamic photosynthesis of various phytoplankton groups. Verh. Internat. Verein. Limnol.29:194-196.

[3]Honti M., Istvánovics V.and Osztoics A.(2007) Stability and change of phytoplankton communities in a highly dynamic environment ? the case of large, shallow Lake Balaton (Hungary). Hydrobiologia 581:225-240.

[4]Honti M., Istvánovics V.and Kozma Zs.(2008) Assessing phytoplankton growth in River Tisza (Hungary). Verh. Internat. Verein. Limnol.30(1):87-89.

[5]Istvánovics V. and Honti M.(2008) Longitudinal variability in phytoplankton and basic environmental drivers along Tisza River, Hungary. Verh. Internat. Verein. Limnol.30(1): 105-108.