БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 6, с. 1057-1065

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 581.132

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ЛЕТНЕГО ФИТОПЛАНКТОНА

ВОДОЕМОВ ЗВЕНИГОРОДСКОЙ СТАНЦИИ МОСКОВСКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

Н.А. Шидловская, Д.А. Тодоренко, А.А. Алексеев*

Биологический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова,

119234, Москва, Ленинские горы, 1/12

*Физико-технический институт Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Аммосова,

677010, Якутск, ул. Кулаковского, 48.

E-mail: matorin@biophys.msu.ru

Поступила в редакцию 10.07.2019 г.

После доработки 10.07.2019 г.

Принята к публикации 22.08.2019 г.

Представлены результаты многолетних мониторинговых наблюдений трех водоемов Звениго-

родской биологической станции МГУ имени М.В. Ломоносова с применением современных

флуоресцентных методов. В Пожарном пруду, расположенном вблизи студенческих общежитий,

в 2017 г. обнаружено резкое повышение концентрации хлорофилла (до 431 мкг/л) и активности

фотосинтеза (F_V/F_M до 0,7), связанное с развитием монокультуры Chlorella vulgaris. Высокая ак-

тивность световых реакций этого фитопланктона проявлялась в увеличении таких параметров,

как максимальный квантовый выход фотохимии фотосистемы II (F_V/F_M), максимальная относи-

тельная скорость транспорта электронов (ETR_max), коэффициент максимальной утилизации све-

товой энергии (α), эффективность транспорта электронов (φEo) и индекса производительности

фотосистемы II (PI_ABS). Это сопровождалось уменьшением доли Q_B-невосстанавливающих цен-

тров (V_J) и диссипации поглощенной энергии в тепло, рассчитанной на один реакционный центр

(DI₀/RC). Для мониторинга фитопланктона пресноводных водоемов предложены наиболее чув-

ствительные параметры индукции флуоресценции (PI_ABS и φEo) и коэффициент максимальной

утилизации световой энергии (α).

Ключевые слова: фитопланктон, флуоресценция хлорофилла, фотосинтез, экология.

DOI: 10.1134/S0006302919060036

методы позволяют быстро, надежно и с высокой

Состояние фитопланктонного сообщества яв-

чувствительностью проводить регистрацию ха-

ляется одним из важнейших показателей благо-

рактеристик фитопланктона непосредственно в

получия водной экосистемы. Количество водо-

среде его обитания in situ в режиме реального вре-

рослей обычно оценивают микроскопически в

мени [1,5-7].

счетной камере или по содержанию в них хлоро-

филла, определенного спектрофотометрическим

Первичная продукция фитопланктона определя-

методом [1].

ется функционированием сложноорганизованной

системы фотосинтеза, включающей светособираю-

Хлорофилл а, находящийся в фотосинтетиче-

щий пигментный комплекс, реакционные центры и

ских мембранах фитопланктона, испускает флуо-

электрон-транспортную систему, где происходит

ресценцию в красной области спектра, которая

первичное преобразование солнечной энергии с

служит природным датчиком состояния клеток

водорослей. Интенсивность флуоресценции при

разложением воды и выделением О₂ [5]. Ранее в гид-

определенных режимах освещения (F_O) коррели-

робиологии использовали параметр флуоресценции

рует с содержанием хлорофилла а [2-4], отража-

FV/FM^{- максимальный квантовый выход первич-}

ющим обилие фитопланктона. Флуоресцентные

ных фотохимических реакций в фотосистеме II (ФС

II) [1]. Он определяется как соотношение интенсив-

ности флуоресценции при насыщающем фотосин-

Сокращения: ФС II - фотосистема II, ЗБС МГУ - Звениго-

родская биологическая станция имени С.Н. Скадовского тез свете (F_M) и в условиях, не вызывающих измене-

МГУ имени М.В. Ломоносова, Q_A, Q_B - первичный и вто-

ний состояния фотосинтетического аппарата (F_O)

ричный хинонные акцепторы электрона в фотосистеме II.

1057

1058

МАТОРИН и др.

(низкая интенсивность света). Параметр F_V/F_M =

нием насыщающей вспышки (0,8 с, 3000 мкмоль

= (F_M- F_O)/F_M представляет собой безразмерную

квантов/м²с) регистрировали параметры F_M и

энергетическую характеристику фотосинтеза, ана-

выход флуоресценции на свету F(t). На основании

логичную коэффициенту полезного действия и не

измеренных уровней флуоресценции рассчиты-

зависящую от видовой специфики организма [8,9].

вали следующие параметры: F_V/F_М = (F_M -

В последнее время при работе с культурами водо-

- F_O)/F_M - максимальный квантовый выход фо-

рослей активно развиваются методы быстрого изме-

тохимии ФС II; Yield = (F_M' - F(t))/F_M' - эффек-

рения световых зависимостей и кинетики индукции

флуоресценции, характеризующие электронный

тивный квантовый выход в ФС II на свету;

транспорт в ФС II и между фотосистемами (ФС II и

NPQ = (F_M - F_M')/F_M' - нефотохимическое ту-

ФС I) [9-14].

шение флуоресценции. Относительную скорость

Пруды Звенигородской биологической стан-

нециклического транспорта электронов рассчи-

тывали по формуле [8]: ETR = Yield × E_i × 0,5, где

ции имени С.Н. Скадовского (ЗБС МГУ) входят в

охраняемую зону и являются объектами много-

E_i - освещенность (мкмоль квантов/м²с).

летних исследований и местом проведения учеб-

ных практик студентов МГУ. В то же время работ

Параметры индукционных кривых флуорес-

по многолетней динамике фитоплактона этих во-

ценции хлорофилла регистрировали на импульс-

доемов крайне мало.

ном портативном флуориметре Aquapen-C 100

(Photon System Instruments, Чехия). Перед изме-

В настоящей работе были изучены измене-

рением образцы выдерживали в темноте в тече-

ния параметров световых зависимостей и ин-

ние 20 мин. Регистрировали индукцию флуорес-

дукционных кривых флуоресценции фито-

ценции с высоким временным разрешением (на-

планктона в водоемах ЗБС МГУ в течение

чиная с

0,05 мс). Индукционные кривые

длительного времени. Показано, что исполь-

флуоресценции хлорофилла а инициировали си-

зование этих зависимостей позволяет прово-

ним светом (λ = 450 нм) интенсивностью

дить мониторинг изменения в энергозапаса-

3000 мкмоль квантов/м²с.

ющих фотосинтетических процессах клеток

Для количественного анализа характеристик

фитопланктона непосредственно в природ-

первичных процессов фотосинтеза на основе па-

ных условиях.

раметров индукционной кривой был использо-

ван так называемый JIP-тест [9-11]. Этот тест ис-

пользует следующие параметры кинетической

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

кривой индукции флуоресценции: интенсивно-

Исследования проводили на трех водоемах

сти при длительности освещения 50 мкс (F_O), 2 мс

ЗБС МГУ в июле с 2006 по 2018 гг. Пробы фито-

(F_J), 30 мс (F_I), 6 с (F_6s), а также F_M (максималь-

планктона отбирались с поверхностных вод из

ная интенсивность флуоресценции) и M₀ (усред-

прудов Стерляжьего (между верхними и нижни-

ми дачами) и Пожарного, расположенного рядом

ненная величина в мс^-1начального наклона от-

с общежитиями, а также на близлежащем участке

носительной переменной флуоресценции хлоро-

реки Москва. Пробы помещали в темные пласт-

филла а). Эти величины затем использовали для

массовые бутылки объемом 2 л, затем в них изме-

расчета следующих параметров:

ряли температуру и гидрохимические параметры

- F_V/F_M - максимальный квантовый выход

воды, определяли видовой состав фитопланкто-

первичной фотохимической реакции в ФС II как

на, концентрацию фотосинтетических пигмен-

тов, а также регистрировали параметры флуорес-

F_V/F_M = (F_M- F_O)/F_M;

ценции хлорофилла. Гидрохимический анализ

-V_J - относительная амплитуда фазы O-J (по-

воды проводили по стандартным методикам [15].

сле 2 мс освещения). Отражает количество закры-

Концентрацию хлорофилла определяли пря-

тых реакционных центров по отношению к обще-

мым спектрофометрическим методом в ацетоно-

му числу реакционных центров, которые могут

вых экстрактах на спектрофотометре, действую-

быть закрыты как V_J = (F_J- F_O)/(F_M-F_O);

щем на базе портативного спектрометра USB

2000 (Ocean Optics, Inc., США).

-φ_Eo - квантовый выход электронного транс-

Регистрацию световых кривых фотохимиче-

порта за пределы Q_A(при t = 0) как φEo = (1 -

ского и нефотохимического тушения флуорес-

- V_J)/(F_V/F_M);

ценции проводили на флуориметре Water-PAM

(Walz, Effelrich, Германия). Световые зависимо-

- DI₀/RC - общее количество энергии, рассе-

сти измеряли при последовательном увеличении

иваемой одним реакционным центром (RC) в

виде тепла как DI₀/RC = (ABS/RC) - M₀(1/V_J), где

интенсивности от 0 до 1600 мкмоль квантов/м²с.

В конце каждого сеанса освещения с использова-

ABS - показатель поглощенной энергии;

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ЛЕТНЕГО ФИТОПЛАНКТОНА

1059

Рис. 1. Изменения содержания хлорофилла а (а) и значения максимального квантового выхода ФС II (F_V/F_M)

(б) фитопланктона в водоемах Звенигородской биологической станции МГУ имени М.В. Ломоносова в июле с 2006 по

2018 гг.; 1, 2, 3 - пробы соответственно из реки Москва, Стерляжьего пруда и Пожарного пруда. На панели (а) слева по

оси ординат - содержание хлорофилла в реке Москва и в Стерляжьем пруду, справа - в Пожарном пруду.

- PI_ABS- индекс производительности - пока-

РЕЗУЛЬТАТЫ

затель функциональной активности ФС II, отне-

Содержание хлорофилла а в водоемах. Концен-

сенный к поглощаемой энергии как PI_ABS = [1 -

трация хлорофилла а фитопланктона на проточ-

- (F_O/F_M)]/(M₀/V_J)[(F_M - F₀)/F₀][(1 - V_J)/V_J].

ном участке р. Москва в период с 2006 по 2008 гг.

находилась на относительно высоком уровне

Более подробное описание параметров JIP-те-

(22-24 мкг/л) (рис. 1). В 2009 г. наблюдался спад,

ста приведено в работах [5,9,10].

после которого содержание хлорофилла а остава-

лось на низком уровне (до 4,8 мкг/л) вплоть до

Для анализа и обработки полученных данных

июля 2018 г. В 2018 г. содержание хлорофилла а

использовали пакет программ Microsoft Excel

несколько увеличилось по сравнению с предыду-

2013 (Microsoft Corporation, США) и Statistica 6.0

щим годом.

(StatSoft, Inc., США). Проверку статистических

Содержание хлорофилла а в Стерляжьем

гипотез осуществляли с помощью двухвыбороч-

пруду находилось на достаточно высоком уровне

ного t-критерия Стьюдента для независимых вы-

(15-20 мкг/л) до 2009 г. После 2009 г. содержание

борок, уровень значимости принимали равным

хлорофилла начинает падать. С 2015 по 2018 гг.

0,05. Объем выборки для всех исследованных об-

содержание хлорофилла в данном пруду колеба-

разцов составлял не менее десяти повторностей.

лось в пределах 5-10 мкг/л.

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1060

МАТОРИН и др.

Таблица 1. Содержание растворенного кислорода,

Asterionella formosa) и еще реже - синезеленых

нитратов, фосфатов и аммония в пробах воды из

(Oscillatoria sp., Anabaena sp.).

водоемов ЗБС МГУ в июле 2015, 2017 и 2018 гг.

В Стерляжьем пруду до июля 2012 г. преобла-

Год

дали в основном зеленые водоросли (Volvox sp.,

Водоем

Oocystis sp.), но после 2012 г. видовой состав стал

2015

2017

2018

смещаться в пользу диатомовых и эвгленовых во-

дорослей (Trachemonas sp., Euglena sp.).

О₂, мг/л

Пожарный пруд долгое время характеризовал-

Стерляжий пруд

2,2

7,97

7,73

ся крайне низким содержанием водорослей. Ос-

новным доминирующим видом была зеленая во-

Пожарный пруд

3,5

1,95

2,55

доросль рода Chlamydomonas sp., также встреча-

лись пальмеллевидные формы жгутиковых

Река Москва

8,6

10,45

7,12

эвглен. Однако в 2016 г. концентрация водорос-

Фосфаты (P₂O₅), мг/л

лей начала резко увеличиваться, и в 2017 г. мы на-

блюдали интенсивное летнее «цветение» Chlorella

vulgaris. На следующий год после «цветения» об-

Стерляжий пруд

0,5

0,05

0,1

щая численность водорослей снизилась, а преоб-

Пожарный пруд

0,18

1,1

ладающими таксонами стали представители от-

дела эвгленовых (которые образовали на поверх-

Река Москва

0,3

0,18

0,05

ности сплошную пленку) и синезеленых

водорослей (в том числе Microcystis aeruginosa).

Нитраты (NO₃), мг/л

Гидрохимический состав проб воды исследуе-

Стерляжий пруд

1,5

2,5

мых водоемов представлен в табл. 1. Все пробы не

были лимитированы по содержанию соединений

Пожарный пруд

2,3

фосфора и азота. Отмечается разное содержание

растворенного О₂ в воде в исследуемых пробах.

Река Москва

2,5

1,5

Наличие в пробах воды Пожарного пруда в 2017 г.

большого количества аммонийного азота говорит

Аммоний (NH₄), мг/л

о значительном поступлении органики биоген-

ного происхождения. Так, за три года (с 2014 по

Стерляжий пруд

0,6

1,6

0,5

2017 гг.) количество аммонийного азота в июле

месяце увеличилось в два раза, с 40 до 72 мг/л, что

Пожарный пруд

повлияло на видовой состав фитопланктона.

0,2

0,5

Смена доминирующих видов - прямой результат

Река Москва

этого увеличения, а массовое развитие зеленой

водоросли Chlorella vulgaris, являющейся поли-

альфомезосапробионтом (S = 3,6), также указы-

Пожарный пруд до 2015 г. являлся преимуще-

вает на органическое загрязнение водоема. В

ственно мезотрофным прудом с относительно

дальнейшем из-за буйного роста этой водоросли

низкой концентрацией хлорофилла а для замкну-

концентрация аммонийного азота в октябре

того, стоячего водоема (7 мкг/л). Однако в 2016 г.

2017 г. снизилась до 56 мг/л, а в июле 2018 г. - до

концентрация хлорофилла а в водоеме увеличи-

18 мг/л. В этот период отмечалось наличие в воде

лась до 101 мкг/л, а в 2017 - до 431 мкг/л, что со-

большого количества нитритного азота, это ука-

ответствует ситуации интенсивного «цветения»

зывает на то, что в водоеме идет интенсивный

фитопланктона. В 2018 г. концентрация хлоро-

процесс окисления аммонийного азота.

филла а летнего фитопланктона в этом пруду

Многолетняя динамика активности фотосисте-

снизилась до 212 мкг/л.

мы II фитопланктона по параметру F_V/F_M. Для об-

Анализ видового состава и гидрохимический со-

щей характеристики световых реакций фотосин-

став воды. По видовому составу в июле в

теза часто используют флуоресцентный параметр

р. Москва основным доминирующим по числен-

F_V/F_M [5]. В природных водоемах и в культурах

ности отделом водорослей на протяжении всего

микроводорослей с высоким содержанием био-

периода наблюдения были зеленые водоросли

генных веществ значение F_V/F_M может достигать

(Monoraphidium sp., Scenedesmus sp.). В меньшем

0,6-0,7. При неблагоприятных условиях, особен-

количестве встречались представители отдела ди-

но при недостатке минерального питания, значе-

атомовых водорослей (Navicula lanceolata, Cocco-

ние этого параметра, как правило, уменьшается

neis sp., Synedra tabulata, Synedra acus, Cystotella sp.,

[1,2].

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ЛЕТНЕГО ФИТОПЛАНКТОНА

1061

Рис. 2. Изменения максимальной относительной скорости транспорта электронов ETR_max (а) и коэффициента

максимальной утилизации световой энергии α (б) фитопланктона в водоемах Звенигородской биологической станции

МГУ имени М.В. Ломоносова в июле в период с 2006 по 2018 гг.; 1, 2, 3 - пробы соответственно из реки Москва,

Стерляжьего пруда и Пожарного пруда.

Фотосинтетическая активность реки Москва в

2017 г., что сопоставимо с фотосинтетической ак-

летний период по параметру F_V/F_M на протяже-

тивностью водорослей, культивируемых в опти-

нии всего периода наблюдения (с 2006 по 2018 гг.)

мальных условиях [5]. Следует отметить, что рост

колебалась примерно на одном уровне (F_V/F_M =

максимального квантового выхода реакционного

= 0,5-0,6) (рис. 1.). Фитопланктон Стерляжьего

центра ФС II (F_V/F_M) наблюдался раньше увели-

пруда до 2012 г. демонстрировал достаточно высо-

чения концентрации хлорофилла и происходил

кие значения фотосинтетической активности

на фоне роста концентрации растворенного ам-

(F_V/F_M = 0,61). Начиная с 2012 г. наблюдалось

мония и уменьшения концентрации кислорода,

уменьшение активности. В

2017 г. параметр

что говорит о постепенной эвтрофикации водое-

F_V/F_M опустился ниже порогового значения

ма вследствие накопления большого количества

(0,3), необходимого для поддержания биомассы

разлагающейся органической биомассы. В 2017 г.,

фитопланктона на постоянном уровне [2].

когда значения F_V/F_M и концентрация аммоний-

ного азота достигли максимума, в пруду наблюда-

Пожарный пруд до 2015 г. характеризовался

крайне низким значением F_V/F_M(ниже 0,3), что

лось «цветение» водоросли Chlorella vulgaris. В то

же время суммарная фотосинтетическая актив-

коррелировало с низкой концентрацией хлоро-

ность фитопланктона после «цветения» Chlorella

филла а в нем. Однако начиная с 2016 г. значение

vulgaris в

2018 г. существенно снизилась

максимального квантового выхода фотохимии

ФС II начало увеличиваться и достигло 0,7 в

(F_V/F_M = 0,4).

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1062

МАТОРИН и др.

Таблица 2. Значения параметров JIP-теста индукционных кривых флуоресценции фитопланктона водоемов ЗБС

МГУ в июле с 2015 по 2018 гг.

Год

Параметры JIP-теста

2015

2016

2017

2018

V_J

Стерляжий пруд

0,43 ± 0,03

0,48 ± 0,04

0,50 ± 0,03

0,48 ± 0,04

Пожарный пруд

0,58 ± 0,05

0,51 ± 0,04

0,40 ± 0,02

0,90 ± 0,03

Река Москва

0,50 ± 0,04

0,46 ± 0,02

0,48 ± 0,04

0,50 ± 0,03

φEo

Стерляжий пруд

0,28 ± 0,05

0,2 ± 0,03

0,13 ± 0,04

0,11 ± 0,04

Пожарный пруд

0,14 ± 0,02

0,26 ± 0,02

0,39 ± 0,03

0,04 ± 0,02

Река Москва

0,29 ± 0,04

0,23 ± 0,05

0,25 ± 0,05

0,3 ± 0,04

PI_ABS

Стерляжий пруд

0,10 ± 0,08

0,09 ± 0,02

0,04 ± 0,02

0,03 ± 0,01

Пожарный пруд

0,11 ± 0,04

0,28 ± 0,01

0,34 ± 0,10

0,02 ± 0,01

Река Москва

0,23 ± 0,03

0,21 ± 0,06

0,22 ± 0,09

0,28 ± 0,10

DI₀/RC

Стерляжий пруд

3,42 ± 0,9

4,40 ± 1,2

10,14 ± 2,2

9,33 ± 1,6

Пожарный пруд

2,98 ± 0,5

1,84 ± 0,6

1,35 ± 0,8

2,49 ± 0,9

Река Москва

1,50 ± 0,7

3,40 ± 0,9

2,08 ± 0,9

2,82 ± 1,2

Регистрация световых кривых параметров фото-

намика изменения

ETR_max фитопланктона в

синтетического электронного транспорта. Для ис-

Стерляжьем пруду характеризовалась постепен-

следования реакции фитопланктона на световую

ным уменьшением после 2011 года. Фитопланк-

нагрузку регистрировали световые кривые пара-

тон Пожарного пруда до 2015 г. имел низкие зна-

метров флуоресценции (рис. 2). По световым

чения ETR_max. Увеличение максимальной отно-

кривым флуоресценции рассчитывали относи-

сительной скорости потока электронов началось

тельную максимальную скорость нециклическо-

с 2015 г. Значение ETR_max достигло наибольшего

го электронного транспорта (ETR_max) и коэффи-

значения летом 2017 г. в период «цветения» водо-

циент максимальной утилизации световой энер-

росли Chlorella vulgaris. На следующий год после

гии (α). Существуют работы, в которых была

«цветения» значение ETR_max несколько снизи-

показана высокая корреляционная зависимость

лось, но все еще оставалось на довольно высоком

между продуктивностью фитопланктона, оце-

уровне.

ненной через выделение кислорода и фиксацию

Коэффициент максимальной утилизации све-

углерода ¹⁴С, и скоростью электронного транс-

товой энергии (α) продемонстрировал ту же дина-

порта, а также с коэффициентом максимальной

мику по годам (рис. 2), что и параметр максималь-

скорости утилизации световой энергии [16,17].

ного квантового выхода фотохимии ФС II (F_V/F_M).

В реке Москва значение ETR_max летнего фито-

В р. Москва значение α оставалось относительно

планктона было на достаточно высоком уровне в

постоянным на протяжении всего периода наблю-

течение всего периода наблюдения (рис. 2). Ди-

дения, а в Стерляжьем пруду наблюдалось моно-

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ЛЕТНЕГО ФИТОПЛАНКТОНА

1063

тонное снижение этого показателя после 2011 г.

значения индекса производительности ФС II

Фитопланктон Пожарного пруда характеризовал-

(PI_ABS = 0,11) и эффективности электронного

ся низкими значениями α. Рост значения данного

транспорта (φEo = 0,14). Во время цветения водо-

параметра начался в 2015 году, когда концентрация

ема летом 2017 года значения этих параметров су-

хлорофилла все еще оставалась на относительно

щественно увеличились (PI_ABS

0,34;

невысоком уровне. Максимальное значение пара-

φEo = 0,39). В то же время на следующий год по-

метра α зарегистрировано в 2017 г. В 2018 г. после

сле цветения было зафиксировано резкое увели-

«цветения» Chlorella vulgaris значение коэффици-

чение доли невосстанавливающих центров вто-

ента α снизилось вместе со снижением концентра-

ричных хинонных акцепторов Q_B (V_J = 0,9), что

ции хлорофилла.

привело к значительному снижению эффектив-

Исследование индукционных кривых флуорес-

ности электронного транспорта (φEo = 0,11, об-

ценции фитопланктона. Для более подробного

щего индекса производительности ФС II

изучения отдельных световых процессов фото-

(PI_ABS = 0,02) и увеличению доли диссипирован-

синтеза нами были проанализированы кривые

ной в тепло энергии, приходящейся на один реак-

индукции флуоресценции фитопланктона водое-

ционный центр (DI₀/RC = 2,49).

мов с использованием JIP-теста (табл. 2). Пара-

метр PI_ABS является показателем функциональ-

ной активности ФС II, отнесенный к поглощае-

ОБСУЖДЕНИЕ

мой энергии. PI_ABS зависит от нескольких

Флуоресценция хлорофилла в настоящее вре-

процессов, включая концентрацию реакционных

мя активно применяется в различных гидробио-

центров, эффективность первичной фотохими-

логических и океанологических работах. Флуо-

ческой реакции в ФС II (переноса электрона до

ресцентный метод оценки концентрации хлоро-

первичного хинонного акцептора Q_A) и возмож-

филла используется на интактных водорослях и

ность транспорта электронов после Q_A-. Таким

также с экстрагированными из них растворами

образом, PI_ABS- это интегративный параметр,

пигментов [1,2,7,18-22]. На основе метода флуо-

ресценции на кафедре биофизики биологическо-

отражающий функциональные возможности

го факультета МГУ разработана «Методика изме-

ФС I и ФС II. В литературе отмечалось, что дан-

рений обилия и индикации изменения состояния

ный параметр является наиболее чувствительным

фитопланктона в природных водах флуоресцент-

параметром в различных культурах в условиях

ным методом» (ФР.1.39.2011.11246, ПНД Ф

воздействия экологических факторов [9,10].

14.2.268-2012). Методика допущена для целей го-

В Стерляжьем пруду в период с 2015 по 2018 гг.

сударственного экологического контроля по раз-

наблюдались наиболее низкие значения эффек-

делу «Количественный химический анализ вод»

тивности переноса электронов за пределы ФС II

[2]. Интенсивность флуоресценции F_O рекомен-

(φEo) и общего индекса производительности ФС

дуется для оценки биомассы и скорости роста во-

II (PI_ABS). Это согласуется с данными по кванто-

дорослей, а отношение F_V/F_M - для оценки кван-

вому выходу (F_V/F_M), максимальной относитель-

тового выхода фотосинтеза, который является

ной скорости электронного транспорта (ETR_max)

мерой физиологической активности водорослей.

и коэффициента максимальной скорости утили-

Значение параметра F_V/F_M < 0,5 свидетельствует

зации световой энергии (α). В 2017 и 2018 гг., ко-

о неудовлетворительном состоянии водорослей, а

гда значение F_V/F_M фитопланктона данного во-

значение параметра F_V/F_M > 0,5 указывает на

доема опустилось ниже порогового значения 0,4,

нормальную активность водорослей [2].

мы наблюдали резкое увеличение параметра

Для работ с фитопланктоном в природных

DI₀/RC, характеризующего тепловую диссипа-

условиях описан ряд устройств для зондирования

цию поглощенной световой энергии.

флуоресценции, информация о которых обобще-

В р. Москва параметры φEo и PI_ABS находи-

на в работах [5,7,18]. Флуориметры могут быть ис-

лись на стабильно высоком уровне в течение все-

пользованы в автоматическом режиме, а получа-

го периода наблюдения, что свидетельствует о

емая информация - передана по любым теле-

том, что фитопланктон данного водоема суще-

коммуникационным каналам в удобной для

ствует в оптимальных условиях.

пользователя форме.

Наиболее значимые изменения параметров

Проведенные нами исследования показали,

JIP-теста наблюдались в Пожарном пруду, когда

что физиологическое состояние летнего фито-

летом 2017 г. происходило «цветение» зеленой во-

планктона пресноводных водоемов ЗБС МГУ мо-

доросли Chlorella vulgaris. В 2015 г., когда концен-

жет существенно изменяться в разные годы, что

трация хлорофилла все еще находилась на отно-

отражается в изменении световых и индукцион-

сительно низком уровне, мы наблюдали низкие

ных кривых флуоресценции хлорофилла.

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

1064

МАТОРИН и др.

Река Москва, будучи крупным проточным во-

при пересеве азот-дефицитной культуры микро-

доемом с низким уровнем загрязнения в районе

водорослей на среду, обогащенную азотом [23].

биостанции, характеризовалась достаточно высо-

После того как необходимый азотный ресурс ста-

ким уровнем фотосинтетической активности фи-

новится доступен водорослям, происходит акти-

топланктона (F_V/F_M > 0,5) в течение всего перио-

вация реакционных центров ФС II и возрастание

да наблюдения.

эффективности фотосинтетических реакций [23].

При этом восстановление квантового выхода ФС

Фитопланктон полупроточного Стерляжьего

II является «приоритетным» и происходит до уве-

пруда в период с 2002 по 2012 гг. демонстрировал

личения ростовых процессов. Связь между F_V/F_M

также достаточно высокое значение F_V/F_M.Одна-

в диапазоне от 0,3 до 0,8 и удельной скоростью

ко после 2012 г. наблюдалось монотонное ухудше-

роста для многих водорослей описывалась урав-

ние фотосинтетических процессов, что отража-

нением степенного типа [2,5].

лось в изменении основных параметров флуорес-

ценции хлорофилла. Возможно, это может быть

Таким образом, описанный в настоящей рабо-

связано с ухудшением экологической обстановки

те комплекс параметров световых и индукцион-

водоема для фитопланктона, поскольку водоем

ных кривых флуоресценции позволяет проводить

является объектом многочисленных учебных

мониторинг изменений в энергозапасающих фо-

практик и подвергается антропогенной нагрузке.

тосинтетических процессах клеток фитоплантона

в природных условиях и открывает возможность

Обратная картина наблюдалась в Пожарном

использования флуоресцентных методов для де-

пруду, который является закрытым искусствен-

текции и прогнозирования цветения водоемов.

ным водоемом. В период с 2002 по 2012 гг. этот

пруд характеризовался низким обилием и низкой

активностью фитопланктона. Однако постепен-

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

ные процессы эвтрофикации в нем, происходящие

вследствие накопления органических веществ,

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

привели к изменению основных показателей эф-

интересов.

фективности фотосинтетического аппарата фито-

планктона. Так, в 2017 г. наблюдалось «цветение»

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

водоросли Chlorella vulgaris, концентрация которой

достигла 431 мкг/л по хлорофиллу а.

Настоящая работа не содержит описания ка-

ких-либо исследований с использованием людей

Проведенный нами комплексный анализ па-

и животных в качестве объектов.

раметров световых и индукционных кривых флу-

оресценции хлорофилла показал, что при воз-

никновении благоприятных для фитопланктона

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

условий происходит увеличение таких парамет-

ров, как максимальный квантовый выход ФС II

1. P. G. Falkowski, J. A. Raven, Aquatic photosynthesis

(Princeton University Press, Princeton, 2013).

(F_V/F_M), максимальная относительная скорость

2. Д. Н. Маторин, В. А. Осипов и А. Б. Рубин, Мето-

транспорта электронов (ETR_max), коэффициент

дика измерений обилия и индикации изменения со-

максимальной утилизации световой энергии (α),

стояния фитопланктона в природных водах флуо-

эффективность транспорта электронов (φEo) и

ресцентным методом. Теоретические и практиче-

индекса производительности (PI_ABS). Вместе с

ские аспекты (Альтрекс, М., 2012).

тем эти процессы сопровождаются уменьшением

3. D. N. Matorin, T. K. Antal, M. Ostrowska, et al.,

доли Q_B-невосстанавливающих центров (V_J) и

Oceanologia 46 (4), 519 (2004).

диссипации поглощенной энергии в тепло

4. M. Ostrowska, R. Majchrowski, D. N. Matorin, et al.,

Oceanologia 42 (2), 203 (2000).

(DI₀/RC).

5. Д. Н. Маторин и А. Б. Рубин, Флуоресценции хлоро-

Стоит отметить, что изменения параметров

филла высших растений и водорослей (ИКИ-РХД,

флуоресценции фитопланктона в Пожарном пру-

Ижевск, 2012).

ду наблюдалось за год до интенсивного роста во-

6. T. K. Antal, P. S. Venediktov, D. N. Matorin, et al.,

дорослей. Это закономерность появления актив-

Oceanologia 43 (3), 291 (2001).

ных клеток фитопланктона с высоким уровнем

7. V. V. Fadeev, E. M. Filippova, D. V. Maslov, et al.,

F_V/F_M в период, предшествующий цветению, ко-

P. Soc. Photo-opt. Ins. 3821, 248 (1999).

торая ранее нами была продемонстрирована на

8. U. Schreiber, in Chlorophyll a fluorescence: A signature

фитопланктоне оз. Байкал [5] и р. Москва [22]. То

of Photosynthesis, Ed. by G. Papageorgiou and Govind-

есть появление благоприятных условий в водоеме

jee (Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2004),

сопровождается повышением эффективности

pp. 279-319.

функционирования ФС II, что естественно сти-

9. В. Н. Гольцев, Х. М. Каладжи, М. А. Кузманова и

мулирует рост количества фитопланктона. Это

С. И. Аллахвердиев, Переменная и замедленная флу-

также наблюдалось в модельных экспериментах

оресценция хлорофилла a - теоретические основы и

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ЛЕТНЕГО ФИТОПЛАНКТОНА

1065

практическое приложение в исследовании растений

16. N. Goto, H. Miyazaki, N. Nakamura, et al., Fund.

(ИКИ-РХД, Ижевск, 2014).

Appl. Limnol. 172 (2), 121 (2008).

10.

R. J. Strasser, M. Tsimilli-Michael, S. Qiang, and

17. C. Kaiblinger and M. T. Dokulil, Photosynth. Res. 88

V. Goltsev, Biochim. Biophys. Acta 1797 (6-7), 1313

(1), 19 (2006).

(2010).

18. Г. С. Карабашев, Флуоресценция в океане (Гидроме-

11.

D. Lazar and G. Schansker, in Photosynthesis in Silico,

теоиздат, Ленинград, 1987).

Ed. by A. Laisk, L. Nedbal and Govindjee (Springer,

19. Z. S. Kolber and P. G. Falkowski, Limnol. Oceanogr.

Dordrecht, 2009), pp. 85-123.

38, 1646 (1993).

12.

O. Herlory, P. Richard, and G. F. Blanchard, Mar.

20. M. Ostrowska, Diss. and monogr. Inst. Oceanol. PAS

Biol. 153, 91 (2007).

26 (3), 194 (2001).

13.

P. J. Ralph and R. Gademann, Aquat. Bot. 82, 222

21. S. A. Mosharov, V. M. Sergeeva., A. F. Sazhin, et al.,

(2005).

Estuar. Coast. Shelf. S 218, 59 (2019).

14.

J. Serodio, S. Vieira, S. Cruz, and F. Barroso, Mar.

22. И. В. Мошарова, В. В. Ильинский, Д. Н. Маторин

Biol. 146, 903 (2005).

и др., Микробиология 84 (6), 712 (2015).

15.

Н. С. Строганов и Н. С. Бузинова, Практическое

23. Е. Н. Воронова, Л. В. Ильяш, С. И. Погосян и др.,

руководство по гидрохимии (МГУ, М., 1980).

Микробиология 78 (4), 469 (2009).

Chlorophyll Fluorescence of Summer Phytoplankton in Reservoirs of Zvenigorod

Biological Station of Lomonosov Moscow State University

D.N. Matorin*, N.P. Timofeev*, M.L. Sindalovskaya*, N.A. Shidlovskaya*,

D.A. Todorenko*, and A.A. Alekseev**

*Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory 1/12, Moscow, 119234 Russia

**Institute of Physics and Technologies, Ammosov North-Eastern Federal University,

ul. Kulakovskogo 48, Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), 677010 Russia

The results of long-term observations and monitoring of three reservoirs of Zvenigorod Biological Station of

Lomonosov Moscow State University using modern chlorophyll fluorescence methods are presented. A

sharp increase in chlorophyll content (up to 431 μg/l) and photosynthesis activity (F_V/F_M up to 0.7), asso-

ciated with the growth of a monoculture, Chlorella vulgaris, was found in 2017 in a fire protection pond

con-structed near University dormitory facilities. The high activity of light reactions of this phytoplankton

was ev-ident as changes in the following parameters: the maximum quantum yield of primary

photochemistry in photosystem II (F_V/F_M), the maximum relative electron transport rate (ETR_max), the

coefficient of the maximum light use efficiency (α), the efficiency of electron transport (φEo) and the

performance index of photosystem II (PI_abs) increased. This was accompanied by a decrease in the density

of Q_B-non-reducing centers (V_J) and dissipated energy flux per reaction center (DI₀/RC). The most

sensitive parameters of flu-orescence induction curve (PI_ABS and φ_Eo) and the coefficient of the maximum

light use efficiency (α) are proposed to monitor the state of phytoplankton in reservoirs.

Keywords: phytoplankton, chlorophyll fluorescence, photosynthesis, ecology

БИОФИЗИКА том 64

№ 6

2019