Методы определения продукции растений по величине фотосинтеза

Кислородная модификация скляночного метода. Мерой величины первичной продукции служит скорость образования органического вещества во времени. Как известно, фотосинтез, а следовательно, и образование органического вещества происходят только на свету при участии хлорофилла, при этом поглощается углекислота и выделяется свободный кислород. Таким образом, определяя количество поглощенного С0₂ или количество выделившегося 0₂ при фотосинтезе, можно получить представление о величине первичной продукции.

Определение продукции растений с помощью измерения динамики растворенного в воде кислорода или потребления меченой по ^|4С углекислоты в замкнутых сосудах (склянках) за определенный период экспозиции впервые было применено при изучении фитопланктона. В дальнейшем эти методы были распространены и на определение продукции высших водных растений.

Суть скляночного метода определения продукции заключается в том, что в прозрачный сосуд (из стекла, плексигласа и др.) помещают воду с фитопланктоном или побеги растений и экспонируют в водоеме в течение нескольких часов. В светлой склянке осуществляется фотосинтез с выделением кислорода, в темной — дыхание (соответственно с потреблением кислорода). По разности между концентрацией кислорода в начале и конце опыта (в светлой и темной склянках) определяют величину продукции и деструкции.

При определении продукции высших водных растений скляночным методом в сосуд помещают побег целого растения (или его часть) и экспонируют его в водоеме в течение нескольких часов. Так как в склянке находится и фитопланктон, то отдельно определяют его продукцию, чтобы можно было рассчитать продукцию высшего растения. Продукцию пересчитывают на единицу массы макрофита.

Фитопланктон в силу малых размеров относительно равномерно распределяется в сосуде (батометре), из которого заполняются светлые и темные склянки. Предполагается, что во всех продукционных склянках концентрация фитопланктона идентична. Объем продукционных склянок в этом случае не превышает 100—150 мл, в которых и определяется концентрация кислорода (А. П. Садчиков, 2003). Погруженные водные растения как объект менее удобны (по сравнению с фитопланктоном) для определения первичной продукции скляночным методом.

Водная растительность — это прежде всего крупные объекты. Для определения их продукции необходимо использовать широкогорлые склянки большого объема, что не всегда удобно при проведении работ в полевых условиях. Однако несмотря на это, данный метод достаточно широко используется в гидробиологических исследованиях.

При определении продукции макрофитов целое растение (или его часть) помещают в продукционные склянки — две светлые и одну темную (что является минимальным количеством). Склянки заполняют водой, взятой из зарослей макрофитов. Одновременно заполняют водой три продукционные склянки (две светлые и одна темная) для определения продукции фитопланктона. Еще заполняют одну серию склянок для измерения в них начальной концентрации кислорода.

Продукционные склянки с макрофитами и фитопланктоном помещают в водоем на глубину произрастания растений, т. е. in situ. Время экспозиции может колебаться от 0,5 до 2 — 4 ч (максимум 6 ч), так как более длительная экспозиция может привести к ингибирующему скляночному эффекту (А. А. Потапов, 1956; И. Т. Астапович, 1967; А. П. Садчиков, 2003).

После экспозиции растение с помощью пинцета извлекают из продукционной склянки, высушивают до абсолютно сухого веса и взвешивают. Если на растении имеется налет извести, его обрабатывают 3 —5%-м раствором соляной кислоты. Продукцию рассчитывают на единицу массы макрофита.

В продукционных склянках (светлых и темных) измеряют концентрацию кислорода методом Винклера или электрохимическим способом. Кроме того, измеряют концентрацию кислорода и в склянках с фитопланктоном, чтобы можно было раздельно определить продукцию макрофитов и микроводорослей; из величины концентрации 0₂ в сосудах с макрофитами вычитают значения 0₂ в сосудах с фитопланктоном.

Расчет продукции макрофитов проводят в два этапа.

• 1. Из значений концентрации кислорода в продукционных склянках с макрофитами (после экспозиции) вычитают концентрацию 0₂ в продукционных склянках с фитопланктоном, чтобы получить только значения продукции макрофитов. После этого рассчитывают продукцию и деструкцию собственно макрофитов.
• 2. Продукцию макрофитов в отличие от продукции фитопланктона выражают на единицу массы растения, так как в серию продукционных склянок помещают разные по массе макрофиты.

Расчет валовой (P_g) и чистой (Р") продукции, а также деструкции (D) макрофитов проводятся по следующим формулам:

где t — время экспозиции, ч; W — масса макрофита, г, приведенная к объему экспериментального сосуда с макрофитом, л; У_с — конечная концентрация кислорода с макрофитом в светлой склянке, мг 0₂ /л; V_T — конечная концентрация кислорода с макрофитом в темной склянке, мг 0₂/л; К_н — концентрация кислорода в склянке перед началом эксперимента, мг 0₂ /л.

Из приведенных формул видно, что при определении продукции макрофитов (в отличие от фитопланктона) необходимо учитывать объем продукционной склянки и массу растения. Все расчеты соответственно ведутся с учетом этих показателей, поэтому для эксперимента подбирают растения одинаковой массы и одного размера.

При определении продукции макрофитов скляночным методом необходимо обращать внимание на следующее.

Для проведения работ используют склянки (сосуды) относительно большого объема с тем, чтобы в них могло уместиться целое растение (к примеру, мох, спирогира, ряска, элодея и др.). Исследователи используют для этой цели сосуды объемом от 1 до 34 л и более (И.Т.Астапович, 1972; А. П. Садчиков, 1976; В. М. Хромов, А. П. Садчиков, 1976), с которыми не всегда удобно работать в полевых условиях.

Растения, находящиеся на разной стадии роста, продуцируют неодинаково (А. П. Садчиков, 1976). Это оказывает влияние на разброс результатов при использовании в эксперименте нескольких склянок.

При использовании крупных растений (к примеру, рдестов) не всегда удается поместить в сосуд все растение. Чаще всего от него отрезают верхушечную часть и экспонируют отдельно. Иногда в опытах используют и другие части растения. Однако необходимо иметь в виду, что интенсивность фотосинтеза отдельных частей растения различна; апикальная часть растения обладает более высокими продукционными показателями, чем нижние, что приводит к завышенным результатам первичной продукции.

Разрезанное на части растение чаще всего экспонируют на одной глубине, так как довольно трудно экспонировать пробы на 68.

глубинах от поверхности до 0,5 —0,8 м (т.е. экспонировать каждую часть одного растения на глубине ее нахождения).

В прибрежье вода мутная, и большая часть солнечной радиации задерживается в верхних слоях водоема. Многие растения адаптированы к низкой освещенности, и даже короткая экспозиция их в поверхностном слое может изменить скорость физиологических процессов.

Так, в 10-сантиметровом слое Рыбинского, Горьковского, Угличского, Цимлянского водохранилищ и озерах Ленинградской области поглощается до 56% проникающей солнечной радиации, а в 30-сантиметровом слое — 67 — 92% (В. А. Рутковская, 1961). Следовательно, отдельные части растения, расположенные на разных глубинах, находятся в различных световых условиях (И.М.Распопов, А. П. Белавская, 1973), из-за чего их продукционные характеристики сильно различаются.

Погруженные водные растения имеют воздушные полости, которые у разных видов составляют 1,5 — 7 см³/г (S. Hejny, 1960); у Potamogeton pectinatus — до 25% объема растения. При фотосинтезе в первую очередь накапливается кислород в воздушных полостях растений, а затем происходит медленная его диффузия в среду. В связи с этим концентрация кислорода в лакунах не всегда пропорциональна его концентрации в воде. Подобная диспропорция сохраняется в течение нескольких часов. Таким образом, воздушные полости выполняют роль своеобразных резервуаров; выделение кислорода при фотосинтезе и его потребление при дыхании осуществляются в первую очередь из этих полостей. Повреждение растения приводит к выделению в среду газов, в том числе и кислорода, что иногда дает большие расхождения результатов (И. Т. Астапович, 1967, 1972). Кроме того, само повреждение отрицательно сказывается на усвоении питательных веществ и процессе фотосинтеза (И.Т.Астапович, 1972; Б. А. Рубин, Л. И. Логинова, 1963). Все это мешает корректному определению продукции растений.

Чтобы исключить (или по крайней мере уменьшить) описанные выше негативные явления, на произрастающее в водоеме растение надевают колбу или иную широкогорлую склянку, затягивая ее на растении мягкой резиной (И. Т. Астапович, 1967, 1972). Колба крепится на специальном каркасе. Таким способом изучают продукцию физиологически нормального укорененного растения. Однако и здесь возможны ошибки, так как верхушечная часть растения физиологически более активна, чем иные его части. Кроме того, она находится у поверхности водоема, в наиболее благоприятных световых условиях.

Чтобы в какой-то мере учесть изложенные выше методические сложности, специалисты рекомендуют использовать «пеналы» и «рукава» большого объема, которые позволяют экспонировать крупные растения (А. П. Садчиков, 1976; В. М. Хромов, А. П. Садчиков, 1976). В других случаях предлагают использовать пластиковые или полиэтиленовые цилиндры (светлые и темные), которыми накрывают целое растение или группу растений, вдавливая его края в грунт (R.G.Wetzel, 1964; А. А. Биочино, 1977). Проба для анализа отбирается через закрытое пробкой боковое отверстие специальным шприцом. У данного способа определения продукции имеются свои недостатки; возникает проблема, связанная с поглощением выделившегося при фотосинтезе кислорода донными организмами.

В заключение отметим некоторые рекомендации, на которые необходимо обращать внимание при изучении продукции погруженных растений кислородным методом.

Время экспозиции должно быть не более 4—6 ч. Это связано с тем, что при высокой скорости фотосинтеза часто происходит насыщение или пересыщение воды кислородом, в результате появляются пузырьки газа, что приводит к его потерям при определении растворенного в воде кислорода. Кроме того, на поверхности сосудов могут развиваться бактерии. На конечные результаты эксперимента может также влиять обитающий на растениях перифитон. В связи с этим рекомендуется (Т.Н. Покровская, 1976) определять продукцию погруженных макрофитов по данным трех наблюдений, приуроченных к 8 — 9 ч, к 12— 13 ч и к 17—18 ч. За отмеченный восьмичасовой отрезок времени погруженные макрофиты независимо от их видовой принадлежности продуцируют около 70 % суточной нормы органического вещества. Несмотря на большую трудоемкость, такие данные более представительны, чем результаты, полученные при длительном времени экспозиции.

При определении продукции водных растений используют, как правило, три сосуда (два светлых и один темный), хотя такого количества явно недостаточно. Даже и в этом случае довольно трудно подобрать растения одного и того же размера и веса, одинаковой физиологической активности.

Радиоуглеродная модификация скляночного метода. Принцип определения первичной продукции радиоуглеродным методом основан на допущении, согласно которому внесенный в склянку меченый углерод (обычно в виде NaH¹⁴C0₃) включается в процесс фотосинтеза с той же скоростью, что и немеченый изотоп углерода ¹²С. Зная радиоактивность внесенного в экспериментальные сосуды меченого углерода (Л), радиоактивность меченых в процессе фотосинтеза растений (г), содержание в водоеме углекислоты во всех формах (Q), можно рассчитать потребление минерального углерода за время экспозиции (/), т. е. первичную продукцию (Р), выраженную в единицах углерода:

Эта формула используется для определения продукции фитопланктона (В.Д. Федоров, 1979; А. П. Садчиков, 2003).

В отличие от кислородной модификации скляночного метода, в котором мерой первичной продукции является выделившийся при фотосинтезе кислород, в радиоуглеродной модификации о продукции растений судят по количеству углекислоты, потребленной растением в процессе фотосинтеза. Количество ассимилированной углекислоты при этом рассчитывают по величине скорости потребления меченого минерального углерода ¹⁴С и общему содержанию минерального углерода в воде.

При определении продукции радиоуглеродным методом очищенные от перифитона и отмытые от взвеси растения (так же как и в кислородном методе) помещают в светлые и темные сосуды, добавляют определенное количество NaH^l4C0₃ и экспонируют их в водоеме.

Если известно общее содержание минерального углерода в воде (С*), активность внесенной в склянку ^|4С (Л), количество ассимилированного растением меченого ¹⁴С (г) в конце эксперимента, то можно рассчитать его продукцию (Р) по формуле:

где t — время экспозиции, ч; г — радиоактивность растения после экспозиции в пересчете на вес навески (мкКи/г); R — радиоактивность внесенного в склянку NaH^l4C0₃ (мкКи/л); С_к —концентрация растворенных в воде карбонатов (мг С/л).

Как видно из приведенной формулы, в ней отсутствуют вес экспериментального растения и объем склянки (в отличие от формулы продукции, измеренной 0₂-методом). Это связано с тем, что расчет продукции предполагает знание величины радиоактивности целого растения (или же его части), которую пересчитывают на единицу массы. Количество внесенной в сосуд метки (NaH^l4C0₃) пересчитывают на его объем.

Возможность применения ^|4С-метода для массового определения продукции водных растений сильно ограничена техническими и методическими трудностями. Поэтому радиоуглеродный метод определения продукции находит применение в основном в экспериментальных исследованиях при попытках выявить потенциальные возможности вида, при изучении влияния биогенных веществ на развитие растений, влияния токсических веществ на продукционные процессы и т. д.

Несмотря на недостатки, методы определения продукции макрофитов по их биомассе в настоящее время считаются наиболее удачными, так как изоляция растения от среды обитания и окружающих его организмов не позволяет получать значения его истинной продукции в составе биоценоза.