Динамика спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды в процессе жизнедеятельности клеток фитопланктона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛАСТОВСКАЯ ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА

ДИНАМИКА СПЕКТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ МОРСКОЙ ВОДЫ В ПРОЦЕССЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КЛЕТОК ФИТОПЛАНКТОНА

01 04 05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 2007

003161641

Работа выполнена в Морском физико-техническом институте Морского государственного университет им адм Г И Невельского

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Букин Олег Алексеевич

Официальные оппоненты

чл -корр , доктор физико-математических наук, профессор Кульчин Юрий Николаевич

кандидат физико-математических наук, доцент Криштоп Виктор Владимирович

Ведущая организация Дальневосточный государственный

университет

Защита состоится 12 ноября 2007 года в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218 003 01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу 680021, Хабаровск, ул Серышева, 47, конференц-зал второго учебного корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения

Автореферат разослан 11 октября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук

Шабалина Т Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проведения исследований динамики спектров лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) в процессе жизнедеятельности клеток фитопланктона и деградации растворенного органического вещества (РОВ) в морской воде определяется необходимостью разработки новых оперативных методов мониторинга состояния фитопланктонных сообществ и изучения процессов циркуляции органического вещества в океане Именно эти задачи встают на первое место при исследовании воздействия климатических изменений на состояние клеток фитопланктона, а так же определения роли фитопланктонных сообществ в формировании климата В последнее время, в связи с резкими климатическими изменениями, которые фиксируются на Планете, встает вопрос о разработке методов воздействия на систему океан-атмосфера в глобальном масштабе, которые способны были бы стабилизировать эти изменения Один из таких методов предлагает воздействие на содержание парниковых газов в атмосфере (в основном двуокиси углерода - С02) путем увеличения концентрации хлорофилла «А» (фитопланктона) в фотическом слое на значительных морских акваториях

Однако, исследование возможности использования таких методов воздействия в глобальных масштабах требует разработки новых оперативных методов комплексного мониторинга как параметров атмосферы и океана, так и параметров, характеризующих фитопланктонные сообщества и циклы воспроизводства и превращения углерода в Мировом Океане Метод спектроскопии ЛИФ, к настоящему времени, демонстрирует хорошие возможности для решения некоторых из выше перечисленных задач мониторинга органического углерода, находящегося в Океане в различных формах

С другой стороны, оперативные измерения концентрации хлорофилла «А» и растворенного органического вещества, с использованием метода ЛИФ, на больших пространственных масштабах позволяют разрабатывать региональные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла «А» из данных спутниковых сканеров цвета морской поверхности, включая морские воды второго типа В отличии от традиционных методов калибровки данных спутниковых сканеров цвета морской поверхности с использованием контактных измерений, метод, основанный на измерении спектров ЛИФ, позволяет получить значительно большую статистику измерений и повысить таким образом достоверность сравнительного анализа со спутниковыми данными Исследование динамики спектров ЛИФ необходимо так же для создания подобных методов коррекции спутниковых данных по определению РОВ и для создания новых оперативных методов измерения параметров процессов воспроизводства РОВ фитопланктонными сообществами Решение задач, поставленных в

работе, обеспечит понимание физических процессов, лежащих в основе вариации параметров спектров ЛИФ в процессе деградации органического вещества, а так же позволит ввести параметры, характеризующие динамику спектров ЛИФ и процессы деградации органического вещества в морской воде

Целью данной работы являлось экспериментальное исследование динамики спектров ЛИФ морской воды, в процессе гибели клеток фитопланктона и деградации растворенного органического вещества, при двухчастотном возбуждении лазерной индуцированной флуоресценции морской воды

В работе были поставлены следующие задачи

1 Разработать методику измерений и лабораторный экспериментальный комплекс для исследования динамики спектров ЛИФ в процессе жизнедеятельности, гибели клеток фитопланктона и последующей деградации растворенного органического вещества Изучить динамику интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А» при возбуждении второй и третьей гармоникой излучения Nd YAG лазера, а так же динамику параметра, описывающего интегральную по спектру интенсивность флуоресценции растворенного в морской воде органического вещества (параметр Q)

2 Сравнить эффективности возбуждения флуоресценции хлорофилла «А» и растворенного в морской воде органического вещества при использовании второй и третьей гармоники излучения Nd YAG лазера (532 нм и 355 нм, соответственно)

3 Применить полученные результаты для анализа натурных экспериментов по исследованию процессов воспроизводства РОВ клетками фитопланктона, для чего провести разработку программного комплекса автоматизированной обработки спектров ЛИФ

4 Провести калибровку и измерение спектральных характеристик малогабаритного судового спектрометра ЛИФ, предназначенного для осуществления натурных измерений флуоресценции морской воды

Научная новизна работы

1 Впервые проведено экспериментальное исследование динамики спектров ЛИФ в процессе гибели клеток фитопланктона и последующей деградации РОВ, воспроизведенного этими клетками Показано, что гибель клеток сопровождается падением до нуля значения интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А» и возрастанием в течении двух дней параметра Q линии флуоресценции РОВ с последующим уменьшением до стационарного значения Причем, такое поведение наблюдается при возбуждении второй гармоникой излучения Nd YAG лазера (длина волны

532 нм) При возбуждении третьей гармоникой излучения Nd YAG лазера уменьшение параметра Q не регистрируется

2 Результаты исследования динамики спектров ЛИФ позволяют ввести количественные параметры, характеризующие процесс деградации РОВ в морской воде А именно, в течении периода, когда возникает максимум в сигнале флуоресценции РОВ, можно считать РОВ -«молодым», те отнести РОВ к органике, воспроизведенной живыми клетками фитопланктона и не подвергшейся значительной степени деградации

3 Впервые проведено сравнение эффективности возбуждения линий флуоресценции хлорофилла «А» второй (длина волны 532 нм) и третьей (длина волны 355 нм) гармоникой излучения Nd YAG лазера Показано, что в линейном диапазоне флуоресцентного отклика хлорофилла «А» на лазерное возбуждение (в диапазоне интенсивностей от 80 кВт/см2 до 120 кВт/см2) интенсивность флуоресценции, возбуждаемой второй гармоникой излучения, превышает таковую при возбуждении третьей гармоникой от 2-х до 4-х раз Это означает, что использование «зеленого» излучения, по сравнению с ультрафиолетовым излучением, наиболее выгодно не только с точки зрения выделения «молодого» РОВ, но и с точки зрения получения максимальных интенсивностей линии флуоресценции хлорофилла «А» при измерении его концентрации

Практическая значимость работы

1 Разработанная методика обработки спектров ЛИФ и программный комплекс обеспечивают надежное измерение концентрации хлорофилла «А» на малогабаритных судовых спектрометрах ЛИФ Программное обеспечение, созданное в процессе выполнения диссертации, позволяет осуществлять автоматизированную обработку больших массивов спектров ЛИФ, практически в реальном масштабе времени, что является необходимым при обработке данных в натурных условиях, а так же при проведении статистического анализа Q-C диаграмм рассеяния, где С -концентрация хлорофилла «А» В последнем случае, для определения параметров, характеризующих темпы воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона, необходимо проводить обработку больших массивов спектров ЛИФ

2 Обнаруженные особенности динамики спектров ЛИФ, возбуждаемых второй гармоникой излучения Nd YAG лазера, позволяют ввести количественные параметры, характеризующие процесс деградации РОВ в морской воде В частности, наличие максимума во временной зависимости интегральной по спектру флуоресценции растворенного органического вещества позволяет определить те временные диапазоны, в которых РОВ, возникшее в результате распада клеток фитопланктона, можно считать

еще «молодым», те РОВ которое не подверглось значительной деградации в процессе распада

3 Результаты исследования эффективности возбуждения флуоресценции с использованием второй и третьей гармоник излучения Nd YAG лазера позволяют выбрать наиболее эффективные длины волн с точки зрения измерения концентрации хлорофилла «А» и определения темпов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона, с учетом оптического типа морских вод Это является важным при разработке лазерных спектрометров, предназначенных для натурных исследований биооптических параметров морской воды

Основные защищаемые положения

1 Сигнал флуоресценции хлорофилла «А» при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм превышает интенсивность флуоресценции при возбуждении излучением с длиной волны 355 нм от двух до четырех раз, в диапазоне плотностей мощности возбуждающего лазерного излучения от 80 до 160 кВт/см2

2 Временная зависимость нормированной интенсивности РОВ в процессе его деградации зависит от длины волны возбуждающего лазерного излучения По мере деградации химической структуры молекул РОВ эффективность возбуждения флуоресценции РОВ уменьшается при использовании лазерного излучения на длине волны 532нм и остается неизменной при возбуждении лазерным излучением на длине волны 355нм

3 Линейные зависимости в Q-C диаграммах рассеяния объясняются значительным увеличением сигнала флуоресценции «молодого» РОВ в процессе воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона при возбуждении спектров ЛИФ лазерным излучением с длиной волны 532 нм

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены на следующих конференциях

1 V региональная научная конференция ДВГУПС, г Хабаровск, 2005

2 III International conference «Current problems in optics of natural waters», St Petersburg, 2005

3 XIII International symposium «Atmospheric and ocean optics Atmospheric physics», Tomsk, 2006

4 XVIII International conference «Ocean optics», Montreal, 2006

5 Региональная конференция ДВГУ для студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, г Владивосток, 2006

6 XI конференция студентов, аспирантов, и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ), г Владивосток, 2007

7 International conference and Young Scientists school on Computational Information technologies for Environmental Sciences (CITES), Tomsk, 2007

8 IV International conference «Current problems in optics of natural waters», Nizhmy Novgorod, 2007

9 VII региональная научная конференция «Физика фундаментальные и прикладные исследования, образования», Владивосток, 2007

Личный вклад соискателя

Автор проводил экспериментальные лабораторные и натурные измерения, участвовал в разработке малогабаритного прокачиваемого лазерного флуориметра Проводил сбор, обработку и анализ данных натурных и лабораторных измерений, участвовал в интерпретации результатов, в подготовке материалов и написании статей, перечисленных в списке публикаций Осуществлял разработку пакета прикладных программ для автоматизации измерений, сбора и обработки данных, полученных на лазерном флуориметре

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа изложена на 106 страницах, включая 8 таблиц, 33 рисунка и список литературы, содержащий 108 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определены актуальность и задачи диссертационной работы Даны положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов Проводится краткий обзор результатов, которые получены другими авторами по рассматриваемой тематике

В первой главе приведены основные параметры спектров лазерной индуцированной флуоресценции органического вещества в морской воде, описаны известные методы выделения биооптических параметров спектров ЛИФ, а так же дан обзор результатов, которые получены различными авторами при исследовании состава растворенного органического вещества и процессов его деградации с использованием оптических флуоресцентных методов Приводятся оригинальные результаты, которые были получены автором при возбуждении спектров флуоресценции органического вещества и хлорофилла «А» второй и третей гармоникой Nd YAG лазера в натурных условиях

В параграфе 1.1 проведён анализ функциональных зависимостей между биооптическими параметрами спектров ЛИФ (Q-C диаграммы рассеяния)

Параметр Q - нормированная интенсивность флуоресценции растворённого органического вещества в интервале длин волн АХ (был

проанализирован для большого числа натурных измерений, в случае возбуждения лазерным излучением с длиной волны 532 нм)

(1)

>1

где = = 650 нм, Х-, = 410 нм при возбуждении спектров ЛИФ

лазерным излучением с длиной волны 355 нм, Х2 = 700 нм, ^ = 560 нм при возбуждении излучением с длиной волны 532 нм, 1Р0В - интенсивность широкополосной флуоресценции РОВ, /КР - интенсивность комбинационного рассеяния воды

Параметр С представляет собой концентрацию хлорофилла «А», вычисленную по нормированной на сигнал комбинационного рассеяния воды интенсивности флуоресценции хлорофилла «А», с учетом калибровочного коэффициента (калибровка на стандартный метод определения концентрации)

С = к^, (2)

'«р х '

где 1хла ~ интенсивность флуоресценции хлорофилла «А», к -калибровочный коэффициент

Показано, что подобный анализ позволяет определять характеристики процессов воспроизводства растворенного органического вещества клетками фитопланктона Однако, предположения, на которых основан данный анализ, требуют экспериментального подтверждения В параграфе формулируются экспериментальные задачи, которые необходимо решить в рамках поставленной работы Обсуждается постановка лабораторных экспериментов по исследованию динамики спектров ЛИФ в процессе жизнедеятельности клеток фитопланктона и деградации растворенного в морской воде органического вещества Делается заключение о необходимости возбуждения спектров ЛИФ как минимум двумя длинами волн лазерного излучения

В параграфе 1.2 приводится анализ результатов использования флуоресцентных методов для определения качественного состава РОВ Такой анализ возможно проводить только при многочастотном возбуждении спектров ЛИФ К настоящему времени, в литературе описаны результаты использования только некогерентного многочастотного возбуждения спектров флуоресценции растворенного органического вещества в морской воде с целью анализа качественного состава РОВ

В параграфе 1.3 проводится рассмотрение особенностей двухчастотного возбуждения спектров ЛИФ морской воды Приведены результаты натурных измерений с двухчастотным возбуждением На рис 1 приведен один из результатов натурных измерений с двухчастотным возбуждением Рис 1а - зависимость интегральной по спектру интенсивности ЛИФ РОВ (0532 и <3365 вдоль маршрута судна), рис 16 -

зависимость концентрации хлорофилла «А» - С (измеренная по интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А») вдоль того же разреза. Такая зависимость оказалась характерна для некоторых районов шельфовых вод. По мере роста концентрации хлорофилла «А» (рис. 1а) с дистанции порядка 60 км, наблюдается и рост 0532 (рис. 16), в то время как 0355 с С не коррелирует. Это подтверждает предположение, что возрастание концентрации фитопланктона, которое сопровождается возрастанием «молодого» РОВ, приводит к возрастанию параметра 0532.

расстояние, км расстояние, км

Рис.1. Пространственное распределение параметров <Эз55 и 0532 (а) и концентрации хлорофилла «А» С (б). Тонкими линиями показаны соответствующие ошибки измерений.

Во второй главе описываются экспериментальные лабораторный и судовой комплексы для измерения спектров ЛИФ морской воды. Приведены алгоритмы обработки экспериментальных данных для определения биооптических параметров спектров ЛИФ.

В параграфе 2.1 описана экспериментальная установка для исследования спектров ЛИФ с двухчастотным возбуждением. На рис. 2 приведена схема лабораторной установки. В экспериментах, где исследовалась зависимость эффективности возбуждения ЛИФ различными длинами волн лазерного излучения, пробы морской воды с фитопланктоном или экстракты высших растений облучались как последовательно, так и раздельно. При последовательном облучении -сначала лазерным излучением с длиной волны 532 нм, а затем с длиной волны 355 нм. Такая последовательность обеспечивала минимальное искажение спектров ЛИФ при воздействии лазерного излучения на молекулы пигментов фитопланктона. При раздельном облучении проба делилась на две части, каждая из которых облучалась второй и третьей гармоникой отдельно.

Рис. 2. Экспериментальная установка для исследования спектров ЛИФ с двухчастотным возбуждением. 1 - Nd:YAG лазер (Lotis Til LS2135); 2 -блок преобразователя частоты излучения лазера во вторую и третью гармоники; 3 - блок светофильтров; 4 - коллиматор, формирующий пространственную структуру излучения лазера на третьей гармонике; 5 -поворотное металлическое зеркало; 6 - оптическая кювета с кварцевыми окнами; 7 - световод (для транспортировки излучения второй гармоники к оптической кювете); 8 - блок светофильтров; 9,10 - многоканальный оптический анализатор с оптическим усилителем; 11 - компьютер; 12 -блок питания лазера

В параграфе 2.2 описан малогабаритный судовой прокачиваемый флуориметр, схема которого представлена на рис. 3. Флуоресценция морской воды, возбужденная в оптической кювете, через фильтр ОС-12 проходит во входную щель полихроматора. Полихроматор раскладывает это излучение в спектр и строит изображение этого спектра на оптоволоконном входе усилителя яркости. Усиленное изображение спектра с выходного экрана усилителя яркости переносится объективом на ПЗС-матрицу приёмной камеры, где он запоминается в фотоячейках в виде заряда фотоэлектронов. Затем АЦП камеры преобразует заряд ячеек в цифровой формат, полученные данные, через интерфейсную плату, передаются в ЭВМ.

Рис. 3. Схема малогабаритного ЛИФ спектрометра:

1 - Nd:YAG лазер с длиной волны излучения 532 нм (Brilliant Ultra); 2 - блок питания и охлаждения лазера; 3 -оптическая кювета; 4 - оптический фильтр ОС-12; 5 - полихроматор МДП-1; 6 -оптический фильтр КС-18; 7 - блок питания ЭОП; 8 - ЭОП ЭПМ-47Г; 9 - объектив; 10 -ПЗС-камера; 11 - ЭВМ с платой управления ПЗС-камерой

В параграфе 2.3 рассматриваются алгоритмы обработки экспериментальных данных для определения биооптических параметров ЛИФ спектров, которые позволяли в автоматическом режиме проводить

1 Фильтрацию резких скачков интенсивности одного отсчета Резкие выбросы по интенсивности в ЛИФ спектрах наблюдаются вследствие флуктуации интенсивности рассеянного излучения, которое обусловлено наличием взвеси в прокачиваемом объеме морской воде Подобная процедура необходима для фильтрации «сбойных» спектров и уменьшения суммарной ошибки измерения биооптических параметров спектров ЛИФ

2 Фильтрацию «сбойных» спектров, которые получаются, в основном, из-за высокочастотных наводок по сети электропитания флуориметра при работе в судовых условиях Фильтрация проводилась по коэффициенту корреляции с соседними спектрами

3 Процедуру смещения спектров ЛИФ, которая необходима при сбое привязки ЛИФ спектров к шкале длин волн, число этих спектров составляет примерно 2% от общего числа Данная процедура была разработана для того, чтобы привести все сбойные спектры к истинной шкале длин волн

4 Двумерную медианную фильтрацию и последующее сглаживание ЛИФ спектров по длинам волн и времени измерения

5 Процедуру аппроксимации ЛИФ спектра, которая позволяет провести учет спектральной функции пропускания спектрометра ЛИФ и осуществить разложение спектра на соответствующие компоненты (линии флуоресценции основного и дополнительных пигментов фитопланктона, линию комбинационного рассеяния воды, широкополосную флуоресценцию РОВ)

В третьей главе описаны результаты экспериментальных исследований динамики спектров ЛИФ в процессе деградации растворенного органического вещества и гибели клеток фитопланктона

В параграфе 3.1 рассматриваются спектры ЛИФ при возбуждении второй и третьей гармоникой излучения Nd YAG лазера

Эксперименты проводились на установке, описанной в п 2 1 (см рис 2) Исследовались образцы морской воды с фитопланктоном, отобранные в период цветения водорослей на акватории залива Петра Великого в апреле-июне 2006 и 2007 г г В этом случае, измерения были проведены в течение 2-х часов после забора проб морской воды, таким образом, чтобы клетки фитопланктона исследовались в живом виде Аналогичные эксперименты осуществлялись и на спиртовых (ацетоновых) вытяжках из листьев высших растений

Спектры ЛИФ проб морской воды возбуждались поочередно излучением второй (532 нм) и третьей (355 нм) гармониками излучения Nd YAG лазера Необходимо отметить, что в обоих случаях наблюдается линейная зависимость интенсивности линии флуоресценции хлорофилла

«А» от интенсивности возбуждающего излучения Во всех случаях интенсивность флуоресценции хлорофилла «А», возбуждаемая лазерным излучением с длиной волны 532 нм превосходит таковую при возбуждении УФ излучением с длиной волны 355 нм Это превышение лежит в пределах от 2 до 4 раз в зависимости от значения интенсивности накачки Интенсивности возбуждающего излучения на длинах волн 532 нм и 355 нм выравнивались по комбинационному рассеянию воды, так чтобы было выполнено соотношение

/з

ю4

(С5)4

Г

15,04 Й,

(3)

где и хЦ^ - длины волн лазерного излучения, используемого для возбуждения флуоресценции (355 и 532 нм, соответственно), и -интенсивности КР воды при возбуждении излучением с длинами волн 355 нм и 532 нм, соответственно

Данные спектры были прокалиброваны на спектральную чувствительность многоканального оптического анализатора спектра и сглажены при помощи фильтра с гауссовым ядром По представленным спектрам были рассчитаны интенсивности линий комбинационного рассеяния воды и линий флуоресценции хлорофилла «А» На рис 4 приведен пример спектров ЛИФ возбуждаемых лазерным излучением с длиной волны 355 нм и 532 нм в одной и той же пробе морской воды

а)

800

600

200

О

!

/

700

250

200

«150 в ё

N-100

50

0

600

640 680 X, нм

720

В 500 600 X, нм

Рис 4 Спектры флуоресценции одной пробы морской воды с фитопланктоном а - возбуждение третьей гармоникой, б - возбуждение второй гармоникой

Данный результат позволяет утверждать, что использование лазерного излучения с длиной волны 532 нм является более эффективным для измерения концентрации хлорофилла «А» в морской воде методом

лазерной индуцированной флуоресценции по сравнению с возбуждением длиной волны 355 нм

На рис 5 приведена зависимость интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А» от интенсивности возбуждающего лазерного излучения для различных длин волн Измерения проведены в лабораторных условиях в пробах морской воды

я я я

я

я

Я"

3 н

и о ^

•в* св

е §

о 13

2500

2000 •

1500

1000

500

а,, = 532 щи

о1-

40

160

70 100 130 плотность мощности возбуждающего излучения, кВт/см2

Рис 5 Зависимости интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» от интенсивности возбу>кдающего излучения на длине волны 532 нм и на длине волны 355 нм

В параграфе 3.2 исследована динамика спектров ЛИФ морской воды в процессе деградации клеток фитопланктона Для подтверждения предположения о большем вкладе «молодого» РОВ в сигнал флуоресценции при возбуждении зеленым излучением проведен лабораторный эксперимент, в котором было исследовано формирование спектров ЛИФ морской воды в процессе гибели фотосинтезирующих клеток и деградации растворенного органического вещества Гибель клеток была инициирована резким повышением температуры пробы морской воды с фитопланктоном до кипения Затем проба охлаждалась до комнатной температуры и далее в течение двух недель измерялись следующие

параметры 1\

г532 ЛХА >

&55 и Ош Где

Г355 1ХА '

т532 1ХА

— интенсивности линии

флуоресценции хлорофилла «А» при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 355 нм и 532 нм, соответственно б355 и б532 нормированные площади под огибающей спектра флуоресценции растворенного органического вещества в пробах морской воды, при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 355 нм и 532 нм, соответственно Результаты эксперимента показаны на рис ба-г

А., нм X, нм

X, нм нм

Рис. 6. а, б - возбуждение лазерным излучением с длинами волн 355 нм и 532 нм до кипячения пробы, соответственно; в, г - возбуждение длинами волн 355 нм и 532 нм после кипячения пробы, соответственно

На рис. 7 приведен временной ход интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» и РОВ после кипячения проб. По шкале ординат даны изменения исследуемых величин в процентах от максимально наблюдаемого значения. Первая точка на рисунках 7а и 76 соответствует исходной пробе измеренной через 2 часа после забора пробы (соответствующие спектры показаны на рис. 6а,б. Последующие точки соответствуют измерениям, выполненным в пробе после ее кипячения, измерения проводились в течение двух недель. Кроме одноразового кипячения в течение двух минут, проба воды не подвергалась далее никакой обработке. В некоторых точках, вертикальными отрезками отложены абсолютные ошибки измерения. Каждая точка усреднялась по десяти измерениям. При возбуждении длиной волны 355 нм интегральная по спектру интенсивность линии флуоресценции хлорофилла «А» возрастает и выходит на стационарное значение. При возбуждении длиной волны 532 нм через 10 часов после гибели клеток наблюдается максимум, который вызван поступлением «молодого» РОВ, затем сигнал спадает до стационарного значения.

1ч 5ч 10ч 1 2 4 6 10 16 1ч 5ч 10ч 1 2 4 6 10 16

время, часы время, дни время, часы время, дни

Рис 7 Динамика интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» и РОВ а - возбуждение лазерным излучением с длиной волны 355нм, б - возбуждение длиной волны 532 нм

В параграфе 3.3 анализируются соотношения между биооптическими компонентами ЛИФ спектра (О-С) диаграммы На рис 8 приведены линейные соотношения, полученные в некоторых районах Мирового Океана

Проводится объяснение наличия линейных зависимостей с точки зрения лабораторных результатов по исследованию динамики процесса деградации растворенного органического вещества Наличие линейной зависимости объясняется значительным вкладом сигнала флуоресценции «молодого» растворенного органического вещества в суммарную флуоресценцию общего растворенного органического вещества и позволяет представить О-С функциональные соотношения в простой форме

О(С) = О0+С V, (4)

где О о соответствует значению условной концентрации флуоресцирующего органического вещества, которая будет наблюдаться в данном районе при нулевой концентрации хлорофилла «А», т е в отсутствии фитопланктона, значение vC соответствует той части растворенного органического вещества, которая вырабатывается фитопланктонным сообществом в данном районе на данный промежуток времени, величину V можно рассматривать как параметр, характеризующий скорость воспроизводства органического вещества фитопланктонным сообществом Он должен зависеть от многих внешних факторов, в которых развивается клетка, а так же от видового состава и периода развития клеток фитопланктона

Рис 8 Пример линейных диаграмм рассеяния для различных районов Мирового океана 1 - Охотское море, 5 августа 2002г, 2 - Северное море, 28 апреля 2003г, 3 -юго-западная часть

Атлантического океана, 10 декабря 2004 г

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулированы основные результаты, полученные в работе

1 Получены экспериментальные результаты по сравнению эффективности возбуждения флуоресценции хлорофилла «А» различными длинами волн лазерного излучения Показано, что в диапазоне значений плотностей мощности лазерного излучения, которые находятся в линейном участке отклика флуоресценции хлорофилла «А» на возбуждающее лазерное излучение (от 80 до 160 кВт/см2) эффективность возбуждения спектров ЛИФ второй гармоникой излучения Nd YAG лазера (длина волны 532нм) превышает от 2 до 4-х раз эффективность возбуждения излучением третьей гармоникой (длина волны 355нм)

2 Экспериментально исследована динамика спектров ЛИФ в процессе гибели клеток фитопланктона и деградации РОВ в морской воде Показано, что в зависимости параметра Q, в случае возбуждения излучением с длиной волны 532 нм, примерно через 10 часов, после гибели клеток фитопланктона, наблюдается максимум В течение 16 суток параметр Q приходит к стационарному значению Наличие максимума в поведении Q параметра позволяет объяснить наличие линейных зависимостей в Q-C диаграммах рассеяния и позволяет проводить выделение части флуоресцентного отклика, обусловленного «молодым» РОВ, из сигнала флуоресценции всего РОВ, присутствующего в морской воде

3 Проведена разработка программного комплекса для обработки и анализа больших массивов спектров ЛИФ, полученных на малогабаритном, прокачиваемом судовом флуориметре Программный комплекс позволяет проводить автоматизированную обработку и накопление больших массивов спектров ЛИФ практически в реальном масштабе времени Разработанный комплекс неоднократно использовался при проведении натурных измерений в морских экспедициях

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

1 Ластовская И.А., Салюк П А Роль световой адаптации клеток фитопланктона при измерении спектров лазерной индуцированной флуоресценции хлорофилла «А» Материалы докладов V региональной научной конференции ДВГУПС Хабаровск, 2005 - С 88

2 Saluk Р А , Bukin О А , Akmaykin D А , Lastovskaya I A Application of the laser induced fluorescence method for monitoring of the processes of the dissolved organic matter reproduction by phytoplankton cells Proceedings III International conference Current problems in optics of natural waters St Petersburg 2005 -P 107-111

3 Salyuk P A , Bukin О A , Golik S S , Baulo E N , Lastovskaya I.A. Laser induced fluorescence spectra dynamics of the seawater bio-optical components during phytoplankton cells inhibition // Proceedings of SPIE, 13th Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics / Atmospheric Physics, 2006 -V 6522 -P 65221E

4 Salyuk P A , Akmaykin D A , Bukin О A , Golik S S , Baulo E N , Lastovskaya I A., Schmirko К A Climatic factors impact on bio-optical sea water features // Proceedings of SPIE, 13th Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics / Atmospheric Physics, 2006 - V 6522 -P 65221F

5 Akmaykin D A , Salyuk P A , Bukin О A , Lastovskaya I.A. Annual changes in seawater optical parameters relationships XIII International symposium Atmospheric and ocean optics Atmospheric physics Tomsk, 2006 -P 129

6 Salyuk P A , Golik S S , Bukin О A , Lastovskaya I A , Baulo E N Dynamics biooptical components of the of the laser induced fluorescence spectra of seawater during phytoplankton cells inhibition XIII International symposium Atmospheric and ocean optics Atmospheric physics Tomsk, 2006 -P 128

7 Майор А Ю , Букин О A , Крикун В A , Бауло E H , Ластовская И.А Компактный судовой проточный флуориметр // Оптика атмосферы и океана - Т 20 - №3, 2007 - С 283-285

8 Букин О А , Голик С С , Салюк П А , Бауло Е Н , Ластовская И.А Изменение спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды в процессе деградации растворенного органического вещества // Журнал прикладной спектроскопии -Т 74 -№1,2007 - С 103-107

9 Букин О А , Голик С С , Салюк П А , Бауло Е Н , Ластовская И.А. Использование спектров лазерной индуцированной флуоресценции для исследования процессов деградации растворенного органического вещества // Электронный журнал «Исследовано в России», 2006 - Т 9 -№191 -С 1788-1796 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/191.pdf

10 Салюк П А, Букин О А, Майор А Ю, Ластовская И.А. Исследование суточного хода компонент спектров лазерной индуцированной флуоресценции // Электронный журнал «Исследовано в России», 2006 -Т 9 -№022 - С 221-226

http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/022.pdf

11 Майор А Ю , Крикун В А , Ластовская И.А., Киселев В Д Судовой флуориметр для измерения биооптических характеристик морской воды // Электронный журнал «Исследовано в России», 2006 - Т 9 -№ 091 -С 872-874 http://zhurnal.ape.relarn ru/articles/2006/091 .pdf

12 Ластовская И А., Бауло Е Н Использование метода лазерной индуцированной флуоресценции для исследования процессов деградации органического вещества в морской воде Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике ДВГУ Владивосток, 2006 - С 115

13 Salyuk Р , Bukin О , Golik S , Baulo Е , Lastovskaya I. Spectral features of the dissolved organic matter in the laser induced seawater fluorescence Ocean optics XVIII, Montreal, Canada, 2006 - P 83

14 Ластовская И. А. Динамика спектров лазерной индуцированоой флуоресценции в процессе жизнедеятельности клеток фитопланктона XI конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов ИАПУ ДВО РАН Владивосток, 2007 - С 110-117

15 Saluk Р A, Akmaykin D A, Shmirko К A, Lastovskaya I А. Phytoplankton communities in earth's climate system International conference and Young Scientists school on Computational Information technologies for Environmental Sciences CITES'2007, Tomsk - P 67

16 Букин OA, Майор АЮ, Павлов АН, Ильин А А, Салюк ПА, Голик С С, Ластовская И А. Лазерные методы исследования океана и атмосферы // «Дальневосточные моря Книга 4 Физические методы исследования» - М Наука, 2007 - С 579-622

17 Golik S S , Salyuk Р А , Bukin О А , Doroshenkov I М , Lastovskaya I.A. Differences in chlorophylls and dissolved organic matter seawater fluorescence induced by 355 nm and 532 nm laser radiation pulses Proceedings IV International Conference Current Problems in Optics of Natural Waters Nizhniy Novgorod, 2007 -P 13

18 Ластовская И.А. Эффективность возбуждения ЛИФ спектров различными длинами волн Седьмая региональная научная конференция «Физика фундаментальные и прикладные исследования, образование» ИАПУ ДВО РАН, Владивосток, 2007 - С 832

Ластовская Ирина Анатольевна

Динамика спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды в процессе жизнедеятельности клеток фитопланктона

01 04 05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 24 09 2007 г Уч -изд л 1,0 Уел печ л 1,5 Формат 60*84/16 Тираж 100 экз Заказ № 456

Отпечатано в типографии издательско-полиграфическом комплекса МГУ имени адмирала Г И Невельского 690059, г Владивосток, ул Верхнепортовая, 50а

Введение

Глава I. Спектроскопия ЛИФ органического вещества в морской воде

1.1 Лазерная флуориметрия в исследованиях процессов воспроизводства органического вещества фитопланктоном

1.2. Восстановление биооптических параметров морской воды из спектров лазерной индуцированной флуоресценции

1.3 Исследование флуоресценции растворенного органического вещества и определение его природы

Глава II. Экспериментальные комплексы для исследования спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды

2.1. Лабораторный спектральный комплекс для измерения ЛИФ спектров морской воды и клеток фитопланктона

2.2. Малогабаритный судовой прокачиваемый флуориметр

2.3. Алгоритмы обработки экспериментальных данных для определения биооптических параметров ЛИФ спектров

Глава III. Исследование динамики ЛИФ спектров в процессе деградации растворённого органического вещества и гибели клеток фитопланктона

3.1. Спектры ЛИФ при возбуждении второй и третьей гармоникой излучения Nd: YAG лазера

3.2. Динамика ЛИФ спектров в процессе деградации клеток фитопланктона

3.3. Соотношение между биооптическими компонентами ЛИФ спектра на различных стадиях развития клеток фитопланктона (Q-C диаграммы рассеяния при одночастотном возбуждении ЛИФ спектров) 84 Заключение 94 Литература

К настоящему времени методы лазерной спектроскопии широко используются в исследованиях океана и атмосферы, внедрение лазерных методов позволяет ставить и решать задачи мониторинга на новом качественном уровне [1,2]. Отличительной особенностью этих методов является то, что они позволяют оперативно измерять параметры среды или биологических объектов на молекулярном уровне, обеспечивая при этом высокое пространственное и временное разрешение. Возможность установки лазерных спектрометров на авианосителях, спутниках или судах позволяет проводить измерения на больших морских акваториях и исследовать процессы, протекающие в синоптических и климатических масштабах [3-5].

Особенно интересными являются результаты, полученные при исследовании фитопланктонных сообществ с использованием методов лазерной спектроскопии [6-9,12]. Эти результаты показывают перспективу разработки новых оперативных лазерных технологий исследования фитопланктонных сообществ. Возможность оперативного и дистанционного измерения спектров лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) клеток фитопланктона и органического вещества, присутствующего в морской воде в различных формах, позволяет осуществлять мониторинг состояния фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона и исследовать воздействие процессов различной природы, которые протекают в океане и атмосфере, на фитопланктонные сообщества.

Актуальность проведения исследования динамики спектров ЛИФ в процессе жизнедеятельности клеток фитопланктона вызвана необходимостью разработки новых оперативных методов исследования состояния фитопланктонных сообществ и изучения процессов циркуляции органического вещества в океане. Именно эти задачи встают на первое место при изучении воздействия климатических изменений на состояние фитопланктона. В последнее время, в связи с резкими климатическими изменениями, которые фиксируются на Планете, встаёт вопрос о разработке методов воздействия на систему океан-атмосфера в глобальном масштабе, которые способны были бы стабилизировать эти изменения [10]. Один из таких методов предлагает воздействие на баланс парниковых газов в атмосфере (в основном двуокиси углерода - С02) за счёт значительного увеличения концентрации хлорофилла - А (фитопланктона) в фотическом слое океана на значительных морских акваториях [6,14]. Однако, исследование возможности использования таких методов воздействия в глобальных масштабах требует разработки новых оперативных методов комплексного мониторинга, как параметров атмосферы и океана, так и параметров, характеризующих фитопланктонные сообщества и циклы воспроизводства и превращения углерода в Мировом Океане. Метод спектроскопии ЛИФ, к настоящему времени, демонстрирует хорошие возможности для решения некоторых из выше перечисленных задач мониторинга углерода, находящегося в Океане в различных формах. Оперативные измерения концентрации хлорофилла «А», с использованием метода ЛИФ, на больших пространственных масштабах позволяют осуществлять коррекцию спутниковых алгоритмов восстановления основных биооптических параметров морской воды [4,11]. Это позволяет разрабатывать региональные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла «А» из данных спутниковых сканеров цвета морской поверхности, включая морские воды второго типа. В отличии от традиционных методов калибровки данных спутниковых сканеров цвета морской поверхности с использованием контактных измерений, метод, основанный на измерении спектров ЛИФ позволяет получить значительную большую статистику измерений и повысить таким образом достоверность сравнительного анализа со спутниковыми данными [11].

Спектры ЛИФ содержат информацию о растворённом органическом веществе в морской воде, причём, в отличии от спектров поглощения, спектры ЛИФ дают возможность выделить вклад «молодого» РОВ в общий сигнал флуоресценции всего РОВ, что позволяет проводить отработку методики измерения темпов воспроизводства растворённого органического вещества фитопланктонными сообществами [4,9], исследовать результаты воздействия крупномасштабных процессов на состояние фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона [13,15]. В работах [4,9], принципиально, решены вопросы, связанные с разработкой метода мониторинга процессов воспроизводства растворённого органического вещества клетками фитопланктона с использованием спектроскопии ЛИФ. Однако, необходимо дальнейшее исследование динамики спектров ЛИФ в процессе гибели клеток фитопланктона и дальнейшей деградации органического вещества, произведенного в процессе реакции фотосинтеза. Эти исследования обеспечат понимание физических процессов, лежащих в основе вариации параметров спектров ЛИФ в процессе деградации органического вещества, а так же позволят ввести количественные параметры, характеризующие динамику спектров ЛИФ и процессы деградации органического вещества в морской воде. В связи с вышесказанным задачи, тема исследований настоящей работы является актуальной.

Целью данной работы являлось исследование динамики спектров ЛИФ морской воды, содержащей РОВ и клетки фитопланктона, в процессе гибели клеток и деградации РОВ, при двухчастотном возбуждении лазерной индуцированной флуоресценции морской воды. В работе решались следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать динамику спектров ЛИФ в процессе жизнедеятельности и гибели клеток фитопланктона. Для решения этой задачи необходимо разработать методику измерений и лабораторный экспериментальный комплекс. Изучить динамику интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А» при возбуждении лазерным излучением с различными длинами волн, а так же динамику параметра, описывающего интегральную по спектру интенсивность флуоресценции растворённого в морской воде органического вещества.

• 2. Сравнить эффективность возбуждения флуоресценции хлорофилла «А» и растворённого в морской воде органического вещества при использовании второй и третьей гармоники излучения Nd:YAG лазера (532 нм и 355 нм, соответственно).

3. Применить полученные результаты для исследования процессов воспроизводства РОВ клетками фитопланктона в натурных условиях, для чего провести разработку программного комплекса для автоматизированной обработки спектров ЛИФ:

Разработать процедуру фильтрации резких скачков интенсивности сигнала флуоресценции в одном спектральном интервале. Резкие выбросы по интенсивности в ЛИФ спектрах наблюдаются вследствие флуктуации интенсивности рассеянного излучения, которое обусловлено наличием взвеси в прокачиваемом объёме морской воде. Подобная процедура необходима для фильтрации «сбойных» спектров и уменьшения суммарной ошибки измерения биооптических параметров спектров ЛИФ;

Фильтрация «сбойных» спектров, которые получаются, в основном, из-за высокочастотных наводок по сети электропитания флуориметра при I работе в судовых условиях;

Процедура смещения спектров ЛИФ, такие спектры появляются в результате сбоя при привязке ЛИФ спектров к шкале длин волн, число этих спектров составляет примерно 2% от общего числа. Данная процедура была разработана для того, чтобы привести все сбойные спектры к истинной шкале длин волн;

Двумерная медианная фильтрация, которая является окончательной фильтрацией одиночных и по длине волны излучения, и по времени измерений.

Процедура сглаживание ЛИФ спектров, которая состоит в усреднении спектров как по длинам волн испускания флуоресценции, так и по времени * измерения спектра;

Процедура аппроксимация ЛИФ спектра, которая позволяет провести учёт спектральной функции пропускания спектрометра ЛИФ и осуществить разложение спектра на соответствующие компоненты (линии флуоресценции основного и дополнительных пигментов, линию комбинационного рассеяния воды, широкополосную флуоресценцию РОВ).

4. Провести калибровку и измерение спектральных характеристик малогабаритного судового спектрометра ЛИФ. Данный спектрометр был разработан для осуществления натурных измерений спектров ЛИФ и I применения результатов лабораторных экспериментов к натурным условиям.

Корректное использование лабораторных экспериментов по исследованию динамики спектров ЛИФ в процессе деградации органического вещества, предполагает проведение возбуждения спектров ЛИФ двумя длинами волн лазерного излучения и проведения соответствующих калибровок и измерения спектральной функции пропускания малогабаритного спектрометра ЛИФ.

Новизна, полученных в работе результатов состоит в следующем: 1. Впервые, проведено экспериментальное исследование динамики спектров ЛИФ в процессе гибели клеток фитопланктона и последующей деградации РОВ, воспроизведённого этими клетками. Показано, что гибель клеток сопровождается падением до нуля значения интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А» и возрастанием в течении двух дней параметра Q линии флуоресценции РОВ. Причём, такое возрастание наблюдается только при возбуждении второй гармоникой излучения Nd: YAG лазера (длина волны 532 нм). При возбуждении третьей гармоникой излучения Nd:YAG лазера подобного поведения параметра Q не наблюдается.

2. Результаты исследования динамищ спектров ЛИФ позволяют ввести количественные параметры, характеризующие процесс деградации РОВ в морской воде. А именно, в течении периода, когда возникает максимум в сигнале флуоресценции РОВ, можно считать РОВ - «молодым», т.е. отнести РОВ к органике, воспроизведённой живыми клетками фитопланктона и не подвергшихся значительной степени деградации.

3. Впервые, проведено сравнение эффективности возбуждения линий флуоресценции хлорофилла «А» второй (длина волны 532 нм) и третьей длина волны 355 нм) гармоникой излучения Nd:YAG лазера. Показано, что в линейном диапазоне флуоресцентного отклика хлорофилла «А» на лазерное

2 2 возбуждение (в диапазоне интенсивностей от 80 кВт/см до 120 кВт/см ) интенсивность флуоресценции, возбуждаемой второй гармоникой излучения, превышает интенсивность флуоресценции при возбуждении третьей гармоникой, от 2-х до 4-х раз. Это означает, что использование «зелёного» излучения по сравнению с ультрафиолетовым излучением, наиболее выгодно не только с точки зрения выделения «молодого» РОВ, но и с точки зрения получения максимальных интенсивностей линии флуоресценции хлорофилла «А» при измерении его концентрации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Сигнал флуоресценции хлорофилла «А» при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм превышает интенсивность флуоресценции при возбуждении излучением с длиной волны 355 нм от двух до четырёх раз, в диапазоне плотностей мощности возбуждающего лазерного у ' излучения от 80 до 160 кВт/см .

2. Временная зависимость нормированной интенсивности РОВ, в процессе его деградации, зависит от длины волны, возбуждающего лазерного излучения. По мере деградации химической структуры молекул РОВ эффективность возбуждения флуоресценции РОВ уменьшается при использовании лазерного излучения на длине волны 532нм и остаётся неизменной, при возбуждении лазерным излучением на длине волны 355нм.

3. Линейные зависимости в Q-C диаграммах рассеяния объясняются значительным увеличением сигнала флуоресценции «молодого» РОВ в процессе воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона при возбуждении спектров ЛИФ лазерным излучением с длиной волны 532 нм.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования полученных экспериментальных результатов в решении прикладных задач:

1. Использовании методики обработки спектров ЛИФ , разработанного программного обеспечения для измерения концентрации хлорофилла «А» на малогабаритном судовом спектрометре ЛИФ. Программное обеспечение, созданное в процессе выполнения диссертации, позволяет осуществлять автоматизированную обработку больших массивов спектров ЛИФ, практически в реальном масштабе времени, что является необходимым при обработке данных в натурных условиях, а так же при проведении статистического анализа Q - С диаграмм рассеяния. В последнем случае, для определения параметров, характеризующих темпы воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона, необходимо проводить обработку несколько тысяч спектров ЛИФ.

2. Обнаруженные особенности динамики спектров ЛИФ, возбуждаемых второй гармоникой излучения Nd:YAG лазера, позволяют ввести количественные параметры, характеризующие процесс деградации РОВ в морской воде. В частности, наличие максимума во временной зависимости интегральной по спектру флуоресценции растворённого органического вещества, позволяет определить те временные диапазоны, в которых РОВ, воспроизведённое клетками фитопланктона в процессе реакции фотосинтеза, можно считать ещё «молодым», т.е. не подвергшемуся значительной деградации в процессе распада.

3. Результаты исследования эффективности возбуждения флуоресценции с использованием второй и третьей гармоник излучения Nd:YAG лазера позволяют выбрать наиболее эффективные длины волн, с точки зрения измерения концентрации хлорофилла «А» и определения темпов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона с учётом оптического типа морских вод. Что является важным при разработке лазерных спектрометров, предназначенных для натурных исследований биооптических параметров морской воды.

Апробация работы.

1. V региональная научная конференцияДВГУПС, г. Хабаровск, 2005.

2. Ill International conference «Current problems in optics of natural waters», St. Petersburg, 2005.

3. XIII International symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics», Tomsk, 2006.

4. XVIII International conference «Ocean optics», Montreal, 2006.

5. Региональная конференция ДВГУ для студентов, аспирантов и молодых учёных по физике, г. Владивосток, 2006.

6. XI конференция студентов, аспирантов, и молодых учёных по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ), г. Владивосток, 2007.

7. International conference and Young Scientists school on Computational Information technologies for Environmental Sciences (CITES), Tomsk, 2007.

8. IV International conference «Current problems in optics of natural waters», Nizhniy Novgorod, 2007.

9. VII региональная научная конференция «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образования», Владивосток, 2007.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в работе:

1. Получены экспериментальные результаты по сравнению эффективности возбуждения флуоресценции хлорофилла «А» различными длинами волн лазерного излучения. Показано, что в диапазоне значений плотностей мощности лазерного излучения в линейном участке отклика флуоресценции у хлорофилла «А» на возбуждающее лазерное излучение (от 80 до 160 кВт/см ) эффективность возбуждения ЛИФ второй гармоникой излучения Nd:YAG лазера (532нм) превышает от 2 до 4-х раз эффективность возбуждения излучением третей гармоники (355нм).

2. Экспериментально исследована динамика спектров ЛИФ в процессе гибели клеток фитопланктона и деградации РОВ в морской воде. Показано, что в зависимости параметра Q, в случае возбуждения длиной волны 532 нм, примерно через 10 часов, после гибели клеток фитопланктона, наблюдается максимум. В течении 16 суток параметр Q приходит к стационарному значению. Наличие максимума в поведении Q параметра, позволяет объяснить наличие линейных зависимостей в Q - С диаграммах рассеяния и позволяет проводить выделение части флуоресцентного отклика, обусловленного «молодым» РОВ, из сигнала флуоресценции от всего РОВ.

3. Проведена разработка программного комплекса для обработки и анализа больших массивов спектров ЛИФ, полученных на малогабаритном, прокачиваемом судовом флуориметре. Программный комплекс позволяет проводить автоматизированную обработку и накопление больших массивов спектров ЛИФ практически в реальном масштабе времени. Разработанный комплекс неоднократно использовался при проведении натурных измерений в морских экспедициях.

1. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование // М.: Мир, 1987. 512 с.

2. Falkowski P. G. Aquatic photosynthesis // Published by Princeton University Press 41 William Street, Princeton, New Jersey , 2007, ISBN -10: 0-691-11551-6, P. 484.3. http://calipsovalidution.hamptonu.edu

3. Бункин Ф.В., Бункин А.Ф. Лидарное зондирование водоемов, почвы и растительности // Оптика океана и атмосферы. 2000. Т. 13, № 1. С. 63-69.

4. Falkowski P.G. The Ocean invisible forest // Scientific American. 2002. V. 54. P. 54-61.

5. Barbini R., Colao F., Palucci A., Ribezzo S, Fantoni R. Differential lidar fluorescensor system used for phytoplankton bloom and sea water quality monitoring in Antarctica // Int. Journal of remote sensing. 2001. V. 22. № 2-3. P. 369-384.

6. Фадеев В. В., Бунин Д. К., Венедиктов П. С. Методы лазерного мониторинга фотосинтезирующих организмов // Квант, электрон. 1996. Т. 23. С. 963-973.

7. Букин О.А., Салюк П.А., Майор А. Ю., Павлов А. Н. Исследование процессов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона методом лазерной индуцированной флуоресценции // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т 18. № 11. С. 976-983.

8. Израэль Ю. А., Борзенко И. И., Северов Д. А. Роль аэрозолей в сохранении современного климата // Метеорология и гидрология. 2007.№1. С.5-14.

9. Демидов А.А., Баулин Е.В., Фадеев В.В., Шур JI.A. Применение лазерной спектрофлуориметрии для измерения концентрации пигментов морского фитопланктона // Океанология. 1981. Т. 21. № 1. С. 174-179.

10. Bishop J. К. В., Davis R. Е., Sherman J. Т. Robotic observations of dust storm enhancement of carbon biomass in the North Pacific // Science. 2002. V. 298. №5594. P. 817-821.

11. Lin I., Liu W. Т., Wu С. C, Wong G. T. F., Ни C., Chen Z., Liang Y., Yang Y., Liu К. K. New evidence for enhanced ocean primary production triggered by tropical cyclone // Geophyc. Res. Let. 2003. V.30 №13. P. 1718.

12. Карнаухов B.H. Спектральный анализ в клеточном мониторинге состояния окружающей среды // М.: Наука, 2004.186 с.

13. Рубин А.Б. Биофизические методы в экологическом мониторинге // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 4. С. 7-13.

14. Hedges J.I. Global biogeochemical cycles: progress and problems // Marine Chemistry. 1992. V. 29. P. 67-93.

15. Романкевич E.A. Геохимия органического вещества в океане // М.: Наука, 1977.256 с.

16. Тихий океан / Под ред. O.K. Леонтьева. М.: Мысль, 1982. 316с.

17. Атлантический океан / Под ред. O.K. Леонтьева. М.: Мысль, 1977. - 296ъ; С.

18. Hopkinson Jr.C.S., Joseph J.V., Amy N. Decomposition of dissolved organic matter from the continental margin // Deep-Sea Research II. 2002. V. 49. P. 44614478.

19. Minister, U. Concentrations and fluxes of organic carbon substances in the aquatic environment // Antonie van Leeuwenhoek Int. J. of molecular microbiology. 1993. V. 63. № 3. P. 243-274.

20. Coble P.G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy // Marine Chemistry. 1996. V. 51. P. 325r 346.

21. Parlanti E., Worz K., Geoffroy L.,' Lamotte M. Dissolved organic matter fluorescence spectroscopy as a tool to estimate biological activity in a coastal zone submitted to anthropogenic inputs // Organic Geochemistry. 2000. V. 31. P. 17561781.

22. Bukin O. A., Saluk P. A., Golik S. S., Baulo E. N., Lastovskaya I. A. Laser induced fluorescence spectra dynamics of the seawater bio-optical components during phytoplankton cells inhibition // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6522. P. 6522 IE.

23. Салюк П. А. Корреляционные соотношения биооптических компонент спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды. Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук. Хабаровск, 2005. 116 с.

24. Карабашев Г.С. Флуоресценция в океане // Л.: Гидрометеоиздат. 1987. 200 с.

25. Yentsch, C.S., Yentsch С.М. Fluorescent spectral signatures: The characterization of phytoplankton populations by the use of excitation and emission spectra //J. Mar. Res. 1979. V. 37. P.471-483.

26. Клышко, Д.Н., Фадеев B.B. Дистанционное определение концентрации примеси методом лазерной спектроскопии по комбинационному рассеянию // ДАН СССР. 1978. Т. 238. С.320-323.

27. Фадеев, В.В., Демидов А.А., Клышко Д.Н., Кобленц-Мишке О.И., Фортус В.М. Применение лазерной спектроскопии для определения пигментов морского фитопланктона // Труды института океанологии. 1980. Т. 90. С. 219234.

28. Майор А.Ю., Букин О.А., Павлов А.Н., Киселев В.Д. Судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды // Приборы и техника эксперимента. 2001. №4. С. 151-154.

29. Майор А.Ю., Букин О.А., Крикун В. А., Бауло Е. Н., Ластовская И. А. Компактный судовой проточный флуориметр // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. №3. С. 283-285.

30. Hoge F.E., Swift R.N. Airborne simultaneous spectroscopic detection of laser-induced water Raman backscatter and fluorescence from chlorophyll a and othernaturally occurring pigments // Applied Optics. 1981. V. 20. № 18. P. 3197-3205.

31. Barbini R, Colao F., Fantoni R., Palucci A., Ribezzo S., Lazzara L. Spectrofluorometric phytoplankton and sea water characterization during the XIII Italian Antarctic mission // Proceedings of SPIE. 1999. V. 3821. P. 237-247.

32. Watras CJ., Baker A.L. Detection of planktonic cyanobacteria by tandem in vivo fluorometry // Hydrobiologia. 1988. V. 169. P. 77-84.

33. Brown J.S. Forms of chlorophyll in vivo // Ann. Rev. Plant Physiol. 1972. V.23. p.73-86.

34. Govindjee, Briantais J.M. Chlorophyll В fluorescence and an emission band at i 700 nm at room temperature in green algae I I FEBS Letters. 1972. V.19. №4. P.278280.

35. Hilton J., Rigg E., Jaworski G. Algal identification using in vivo fluorescence spectra //J. Plankton Res. 1989. V.ll. P.65-74.

36. Фадеев B.B. Дистанционное лазерное зондирования фотосинтезирующих организмов //Квантовая электроника. 1978. Т.5 №10. С.2221-2226.

37. ГОСТ 9411-81 Стекло оптическое цветное // М.: Издательство стандартов. 68стр.

38. Букин О.А., Пермяков М.С., Майор А.Ю., Сагалаев С.Г. и др. О калибровке метода лазерной флуориметрии при измерении концентрации хлорофилла А // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. №3. С. 28-32.

39. Pinto A.M.F., von Sperling Е., Moreira R.M. Chlorophyll «А» determination via continuous measurement of plankton fluorescence: Methodology development // Wat. Res. 2001. V.35. №.16. P.3977-3981.

40. Биологическая продуктивность океана. Биология океана. Т. 2. /Под ред. М.Е. Виноградова. М.: Наука, 1977. 399 с.

41. Скопинцев Б.А. Новые данные о природе органического вещества океанических вод и его энергетические ресурсы // Океанология. 1981. Т. 21. № 5.1. С. 821-830.

42. Ferrari G.M. The relationship between chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in the European Atlantic coastal area and in the West Mediterranean Sea (Gulf of Lions) // Marine Chemistry. 2000. V.70. P.339-357.

43. McKee D., Cunningham A., Jones K. Simultaneous Measurements of Fluorescence and Beam Attenuation: Instrument Characterization and Interpretation of Signals from Stratified Coastal Waters Estuarine // Coastal and Shelf Science. 1999. V.48. P.51-58.

44. Nieke В., Reuter R., Heuermann R., Wang H., Babin M., Therriault J.C. Light i absorption and fluorescence properties of chromophoric dissolved organic matter

45. CDOM), in the St. Lawrence Estuary (Case 2 waters) // Continental Shelf Research. 1997. V.17. №.3. P.235-252.

46. Burdige D.J., Kline S.W., Chen W. Fluorescent dissolved organic matter in marine sediment pore waters // Marine Chemistry. 2004. V.89. P.289-311.

47. Chen R.F., Gardner G.B. High-resolution measurements of chromophoric dissolved organic matter in the Mississippi and Atchafalaya River plume regions // Marine Chemistry. 2004. V.89. P.103-125.i

48. Георгиев Г., Николов Ж., Стаменов К. и др. Флуоресцентный анализ органических веществ в водных средах при возбуждении азотного лазера // В кн.: Тезисы III конф. по люминисценции, Сегед (ВНР). 1979. С. 159-162.

49. Clark C.D., Jimenez-Morais J., Jones G., Zanardi-Lamardo E., Moore C.A., Zika R.G. A time-resolved fluorescence study of dissolved organic matter in a riverine to marine transition zone // Marine Chemistry. 2002. V.78. P.121-135.

50. Callahan J., Dai M., Chen R.F., Lib X., Lub Z., Huang W. Distribution of dissolved organic matter in the Pearl River Estuary, China // Marine Chemistry. 2004 V.xx. P.xxx- xxx.

51. Traganza E.D. Fluorescence excitation and emission spectra of dissolved organic matter in sea water// Bull. Mar. Sci. 1969. V. 19. P. 897-904.

52. Карабашев Г.С., Соловьев A.H., Зангалис К.П. Фотолюминесценция вод Атлантического и Тихого океанов // В кн.: Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. М.: Наука. 1974. С. 143-153.

53. Фадеев В.В., Чекалюк A.M., Чубаров В.В. Нелинейная лазерная флуориметрия сложных органических соединений // Доклады АН СССР. -1982. т. 262, №2. С. 338-341.

54. Babichenko S., Kaitala S., Leeben A., Poryvkina L., Seppala J. Phytoplankton pigments and dissolved organic matter distribution in the Gulf of Riga // Journal of Marine Systems. 1999. V.23. P.69-82.

55. Brown, M. Laboratory measurements of fluorescence spectra of Baltic waters / M. Brown // Rep. Inst. Fysisk Oceanografi Univ. Copenhagen. 1974. № 29. P. 21.

56. Coble P.G., Del Castillo C.E., Avril B. Distribution and optical properties of CDOM in the Arabian Sea during the 1995 Southwest Monsoon // Deep-Sea Research II. 1998. V.45. P.2195-2223.

57. Горюнова С.В. Особенности процессов автолиза у диатомовых водорослей. Труды института микробиологии АН СССР. 1958. Т.5. С. 53-62.

58. Глушков С.М., Фадеев В.В., Филиппова Е.М., Чубаров В.В. Проблемы лазерной флюорометрии органических примесей в природных водах // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 4. С. 433-449.

59. DiCAMPRO Operator Manual/РСО GmbH. 2003.

60. Pixel Fly Operating Instructions / PCO Computer Optics GmbH. 2003.

61. Lim Jae S., Two-Dimensional Signal and Image Processing // Englewood Cliffs.- NJ. Prentice Hall. 1990. P. 469-476.

62. Мартынов Н.Н., Иванов А.П. Matlab 5.x. Вычисления, визуализация, программирование. М.: Кудиц-образ. 2000.322с.

63. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab 5.x. Том 1. -М.: Диалог-МИФИ, 1999. 366с.

64. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab 5.x. Том 2. -М.: Диалог-МИФИ, 1999. 304с.

65. Cleveland W.S., Grosse E. Computational methods for local regression // Statistics and Computing. 1991. №1. P.47-62. * 79. Аксененко М.Д., Бараночников M.J1. Справочник. Приемники оптическогоизлучения. М.: Радио и связь. 1987.296с.

66. Bristow М., Nielsen D., Bundy D., Furtek R. Use of water Raman emission to correct airborne laser fluorosensor data for effects of water optical attenuation. Applied Optics. 1981. V. 20. № 17, P. 2889-2906.

67. Беккиев А.Ю., Гоголинская Т.А., Фадеев B.B. Одновременное определение температуры и солености морской воды методом лазерной КР-спектроскопии. ДАН, Физика. 1983. Т. 271. № 4. С. 849-853.

68. Marquardt D. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear ; Parameters // SIAM Journal Applied Math. 1963. V. 11. P. 431-441.

69. Norman В., Zweifel U. L., Hopkinson Jr. C. S., Fry B. Production and utilization of dissolved organic carbon during an experimental diatom bloom // Limnol. Oceanogr. 1995. V.40. №5. P. 898-907.

70. Salyuk P. A, Bukin O. A., Permyakov M. S. Using of laser induced fluorescence method for phytoplankton communities describing // SPIE proceedings. 2005. V. 5851. P. 232-236.

71. Сущинский M.M. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов // М. Наука. 1969. 576 с.

72. Determann S., Reuter R., Wagner P., R. Willkomm. Fluorescence matter in the eastern Atlantic Ocean: part 1. Method of measurement and near-surface // Deep-Sea Research. 1994. №4. P. 659-675.

73. Salyuk PA., Bukin O.A., Permyakov M.S. Investigation of the organic matter cycles in the ocean by LIF spectroscopy // Joint International Symposium1."Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics", Tomsk, Russia, 2004, P.166.

74. Darzi М., Patt F.S., Firestone J.K., Schieber B.D., Kumar L.V., Ilg D.A. SeaWiFS operational archive product specifications, version 2.8 // SeaWiFS Project Code 970.2, NASA Goddard Space Flight Center. 1995. 16 November. 92p.

75. Rochelle-Newall EJ., Fisher T.R. Chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in Chesapeake Bay // Marine Chemistry 2002. V.77 P.23-41.

76. Parsons Т., Takahashi M. Biological oceanographic processes. L.: Pergamon Press, 1973.186р.

77. Mopper К., Schultz C.A. Fluorescence as a possible tool for studying the nature and water column distribution of DOC components // Marine Chemistry. 1993. V.1. V 41. P. 229-238.

78. Loftus M.E., Seliger H.H. Some limitations of the in vivo fluorescence technique // Chesapeake Science. 1975. V. 16. № 2. P. 79-92.

79. Klinkhammer G.P., McManus J., Colbert D., Rudnicki M.D. Behavior of terrestrial dissolved organic matter at the continent-ocean boundary from high-resolution distributions // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2000. V.64. №.16. P.2765-2774.

80. Каменкович В.В., Корт В.Г., Монин А.С. Изменчивость Мирового океана. JL: Гидрометеоиздат. 1974-261с.

81. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н. Закономерности пространственно-временной изменчивости интенсивности флуоресценции пигментов в клетках4 живого фитопланктона // Труды ИОАН. 1975. Т. 102. С. 89-93.

82. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н. Суточный ритм флуоресценции хлорофилла фитопланктона в деятельном слое океана // Океанология. 1976. Т. 16. №2. С. 316-323.

83. Карабашев Г.С., Агатова А.И. О соотношении интенсивности флуоресценции и концентрации растворенных органических веществ в водах океана // Океанология. 1984. Т. 24. № 6. С: 906 909.

84. Паркер С. Фотолюминесценция растворов. Пер. с англ. М.:Мир. 1972.510 ск