Парамонов Л.Е.

Leonid E. Paramonov

Южное отделение Института океанологии РАН (г. Геленджик)

УДК 535.34::574.583

Оценивается спектр показателей поглощения диатомовой водоросли Chaetoceros protuberans. Исследуется влияние эффекта упаковки на спектры поглощения.  

Ключевые слова: спектр показателей поглощения; диатомовые водоросли.

Введение

Поглощение света фитопланктоном является одним из основных факторов, влияющих на изменения оптических свойств океанических и прибрежных вод. Спектральные свойства поглощения света фитопланктоном – основа различных био-оптических алгоритмов для оценки обилия и плотности распределения фитопланктона (Bricaud et al., 1998; Sathyendranath et al., 2001) и моделей первичной продукции (Morel, 1991; Platt, Sathyendranath, 1988), в том числе и с использованием дистанционных методов.

Во всех случаях при интерпретации данных важна корректная оценка спектра показателей поглощения для пигментов фитопланктона. В современной практике при решении этой задачи имеются два «узких» места: 1) спектры поглощения экстрактов пигментов не соответствуют истинным спектрам поглощения, при экстрагировании происходит частичная деструкция пигментов и изменяются положения максимумов поглощения (Kirk, 2011); 2) скорректированные с учетом эффекта упаковки спектры поглощения нативных клеток в предположении сферической формы клеток фитопланктона (Bricaud et al., 2004) также имеют погрешности.

В настоящей статье на основе данных (Hoepffner, Sathyendranath, 1991; Kirk, 2011), полученных в видимой области, оцениваются оптические спектры показателей поглощения диатомовой водоросли Chaetoceros protuberans. Эти данные позволяют оценить вариации коэффициентов поглощения взвесей клеток фитопланктона, обусловленные эффектом упаковки (Duysens, 1956) с учетом распределения по размерам и форме диатомовых водорослей. 

Теоретические основания

В качестве модели клетки используются частицы эллипсоидальной и цилиндрической форм. Теоретическим основанием для анализа спектров поглощения является оптическая классификация изотропных ансамблей оптически «мягких» эллипсоидальных частиц (Парамонов, 2004, 2012).

Поглощение является консервативной оптической характеристикой, и для оптически «мягких» частиц, к которым относятся клетки фитопланктона, возможна оптическая классификация взвесей биологических клеток. Согласно оптической классификации (Парамонов, 1994, 1995, 2004) к одному классу эквивалентности принадлежат взвеси клеток, имеющие равные усредненные по ансамблю и ориентациям объем и площадь проекции клеток на плоскость, перпендикулярную направлению падающего излучения,  и площадь поверхности для клеток выпуклой формы. Взвеси клеток одного класса эквивалентности имеют близкие по значениям сечения поглощения.

Сечение поглощения изотропных взвесей оптически «мягких» частиц выпуклой формы зависит в большей степени от объема <V>,  <G>=<S>/4 (<S> – площадь поверхности частиц, <G> – площадь проекции частиц на плоскость, перпендикулярную направлению падающего излучения), мнимой части показателя преломления   и в меньшей степени от вида распределения частиц по размерам и форме. 

Оценка усредненного сечения поглощения для взвеси однородных клеток с отмеченными параметрами имеет простой вид (Парамонов, 1994, 1995, 2004):

_,

где показатель поглощения смеси пигментов при длине волны λ . 

Результаты и обсуждение

При оценке спектра показателей поглощения α(λ) диатомовых водорослей мы использовали экспериментальные данные для Chaetoceros protuberans (Hoepffner, Sathyendranath, 1991; Kirk, 2011). 

Применяя формулу (1), коэффициент трансформации, равный отношению сечений поглощения взвеси клеток и раствора смеси пигментов клеток, имеет вид (Парамонов, 2004, Шифрин, 1988):

и характеризует объемный удельный коэффициент поглощения .

Для известной микроструктуры взвеси клеток (достаточно знания υ) и по известным (измеренным) спектрам показателей поглощения смеси пигментов α(λ) можно, используя (2), оценить спектр поглощения взвеси клеток в рассматриваемом диапазоне длин волн.

Для иллюстрации эффекта упаковки (Duysens, 1956) на рис.1 представлена трансформация оптических спектров сечений поглощения в зависимости от микроструктурного параметра υ (υ=0 соответствует молекулярному раствору пигментов, а значения удельного коэффициента поглощения α(λ) приведены в таблице 1). При неизменном объеме клеток суспензии сечение поглощения является убывающей функцией υ. Приведенные здесь результаты  α(λ) были нормированы в области максимума (λ=675 нм) по данным работы (Kirk, 2011).

Приведем полезные при моделировании спектров поглощения диатомовых водорослей формулы для микроструктурных параметров υ :

 p=1,6075,

соответственно для монодисперсных хаотически ориентированных цилиндрических и эллипсоидальных клеток, здесь  R – радиус основания кругового цилиндра,  L – длина; a, b, c –полуоси клетки эллипсоидальной формы.

 Рис.1. Спектр нормированных сечений поглощения в зависимости от параметра υ=0(1)10(10)50 (мкм). Значения в скобках – величина шага между значениями от 0 до10 и от 10 до 50 соответственно. Внутриклеточная концентрация полагалась равной 4 mgChla/ml 

 Таблица 1. Спектр показателей поглощения α(λ) для Chaetoceros protuberans

С точки зрения физического смысла сечение поглощения взвеси клеток является мощностью поглощенной энергии, нормированной на интенсивность падающего излучения. Знание динамики и спектрального состава падающего излучения позволяет, основываясь на данных, представленных на рис.1, оценить энергию, поглощенную диатомовыми водорослями в области фотосинтетически активной радиации.

Список литературы

1. Парамонов Л.Е. Оценка сечения поглощения полидисперсных хаотически ориентированных слабопреломляющих эллипсоидальных частиц // Оптика и спектроскопия. 1995. T.78. С. 962–964.

2. Парамонов Л.Е. Оптическая эквивалентность изотропных ансамблей эллипсоидальных частиц в приближениях Рэлея-Ганса-Дебая и аномальной дифракции и ее следствия  // Оптика и спектроскопия. 2012. Т.212. С. 842–850.

3. Парамонов Л.Е. Простая формула для оценки сечений поглощения биологических суспензий // Оптика и спектроскопия. 1994. Т.77. С. 572–578.

4. Парамонов Л.Е., Хромечек Е.Б., Абдулкин В.В., Шмидт В.А. К решению обратных задач на классах эквивалентности  // Оптика атмосферы и океана. 2004. T.17. C. 508–512.

5. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 280 с.

6. Bricaud A., Claustre H., Ras J., Oubelkheir K. Natural variability of phytoplanktonic absorption in oceanic waters: influence of the size structure of algal populations // J. Geophys. Res. 2004. V.109. C11010, doi: 101029/2004JC002419.

7. Bricaud A., Morel A., Babin M., Allali K., Claustre H. Variations of light absorption by suspended particles with chlorophyll a concentration in oceanic (case 1) waters: analysis and implications for bio-optical models // J. Geophys. Res. 1998. V.103. P. 31033–31044.

8. Duysens L.M.N. The flattening effect of the absorption spectra of suspensions as compared to that of solutions // Biochim.  Biophys. Acta. 1956. V.19. P. 1–12.

9. Hoepffner N., Sathyendranath S. Effect of pigment composition on absorption properties of phytoplankton // Mar. Ecol. Prog. Ser. 1991. V.73. P. 11–23.

10. Kirk J.T.O. Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems. / Third edition. – Cambridge: University Press, 2011.

11. Morel A. Light and marine photosynthesis: a spectral model with geochemical and climatological implications // Prog. Oceanogr. 1991. V.26. P. 263–306.

12. Platt T., Sathyendranath S. Oceanic primary production: estimation by remote sensing at local and regional scales // Science. 1988. V.241. P. 1613–1620.

13. Sathyendranath S., Cota G., Stuart V., Maass H., Platt T. Remote sensing of phytoplankton pigments: a comparison of empirical and theoretical approaches // Int. J. Rem. Sens. 2001.V.22. P. 249–273.

Статья поступила в редакцию 24.11.2016

.

An estimate of the absorption spectra of diatoms on the example of Chaetoceros protuberans 

Leonid E. Paramonov 

Spectrum of absorption coefficients for diatom Chaetoceros protuberans is evaluated. The influence of the package effect on the absorption spectra is investigated.

Keywords: spectrum of absorption coefficients; diatoms. 

Об авторе

Парамонов Леонид Евгеньевич - Paramonov Leonid E.

доктор физико-математических наук, профессор
ведущий научный сотрудник Южного отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. г. Геленджик, Россия (Southern branch of Institute of Oceanology of RAS, Gelendzhik, Russia), лаборатория экологии

lparamonov@yandex.ru

Корреспондентский адрес: 353467,  Краснодарский край, г. Геленджик-7, ул. Просторная, 1 г.; тел./факс 8-861-41-280-89.

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Парамонов Л.Е. Оценка спектров поглощения диатомовых водорослей на примере Chaetoceros protuberans // Вопросы современной альгологии. 2017. № 1 (13). URL: http://algology.ru/1094

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147