БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 2, с. 331-339

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

УДК 581.132

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА

ВОДОЕМОВ ЗВЕНИГОРОДСКОЙ СТАНЦИИ МОСКОВСКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

Биологический факультет Московского государственного университета

имени М.В. Ломоносова, 119234, Москва, Ленинские горы, 1/12

E-mail: matorin@biophys.msu.ru

Поступила в редакцию 19.11.2019 г.

После доработки 19.11.2019 г.

Принята к публикации 28.11.2019 г.

С использованием флуоресценции хлорофилла изучены сезонные изменения фотосинтетических

процессов фитопланктона трех водоемов Звенигородской биологической станции МГУ (МГУ

ЗБС). Показано, что в Ольгином и Пожарном прудах, где обнаружено высокое обилие

фитопланктона, высокая фотосинтетическая активность наблюдалась в летние месяцы. Высокая

фотосинтетическая активность водорослей проявлялась в высоких показателях таких параметров,

как эффективность электронного транспорта (φEo) и индекс производительности фотосистемы II

(PI_ABS). При высокой фотосинтетической активности фитопланктона в этих водоемах наблюдались

низкие показатели нефотохимического тушения (NPQ). В Стерляжьем пруду в летний период у

фитопланктона эффективность электронного транспорта (φEo) была снижена. Показана

зависимость функционирования световых реакций от сезонного изменения гидрохимического

состава воды и изменения видового состава фитопланктона в исследуемых водоемах. Предлагается

использовать параметры индукции флуоресценции (PI_ABS и φEo) в качестве индикаторов состояния

водорослей в водной среде.

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

DOI: 10.31857/S0006302920010167

колебаниям и варьируют в широких пределах.

Фитопланктон является первичным звеном

Содержание биогенных элементов зависит от со-

трофической цепи и определяет состояние и про-

отношения интенсивности процессов фотосин-

дуктивность водных экосистем [1]. При воздей-

теза и биохимического окисления органических

ствии различных экологических факторов, в том

веществ. За периодами высокого содержания в

числе антропогенных загрязнений, в первую оче-

редь изменяются такие характеристики, как оби-

среде биогенных элементов следует снижение их

концентрации в результате их потребления фито-

лие и фотосинтетическая активность водорослей

планктоном, тогда как после фазы обеспеченного

[1, 2]. Изменения на первичном трофическом

минеральными веществами активного роста во-

уровне приводят к изменениям в остальных зве-

дорослей наблюдается снижение их роста и фото-

ньях водной экосистемы. Поэтому регистрация

характеристик фитопланктона является одним из

синтетической активности [1].

способов оценки состояния водной среды в

Флуоресценция хлорофилла в настоящее вре-

целом.

мя активно применяется при проведении различ-

Фотосинтетическая активность фитопланкто-

ных гидробиологических и океанологических ра-

на зависит от световых условий, температуры, а

бот [1-8]. Флуоресцентный метод используется

также от обеспеченности биогенными элемента-

для оценки концентрации хлорофилла у интакт-

ми, такими как азот и фосфор. Освещенность и

ных водорослей, а также в экстрагированных из

концентрация биогенных элементов в природ-

них растворах пигментов [3, 4, 6, 7]. На основе

ных водах подвержены значительным сезонным

флуоресценции хлорофилла на кафедре биофи-

зики биологического факультета МГУ разработа-

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

на «Методика измерений обилия и индикации

родская биологическая станция имени С.Н. Скадовского

МГУ имени М.В. Ломоносова, Q_A - первичный хинонный

изменения состояния фитопланктона в

акцептор электрона.

природных водах флуоресцентным методом»

331

332

МАТОРИН и др.

(ФР.1.39.2011.11246, ПНД Ф 14.2.268-2012). Мето-

тативного спектрометра USB 2000 (Ocean Optics,

дика допущена для целей государственного эко-

Inc., США).

логического контроля по разделу «Количествен-

Перед проведением регистрации флуорес-

ный химический анализ вод» [2]. Интенсивность

центных характеристик все исследуемые образцы

начальной флуоресценции (F_O) рекомендуется

выдерживали в темноте в течение 20 мин для

для оценки биомассы и скорости роста водорос-

окисления переносчиков в фотосинтетической

лей, а отношение переменной флуоресценции к

электрон-транспортной цепи, в том числе для пе-

максимальной (F_V/F_M) для оценки квантового

рехода первичного хинонного акцептора элек-

выхода фотосинтеза, который является мерой

трона (Q_A-) в окисленное состояние.

физиологической активности водорослей.

Регистрацию световых кривых фотохимическо-

В последнее время для оценки работы фото-

го и нефотохимического тушения флуоресценции

синтетического аппарата высших растений и

выполняли на флуориметре Water-PAM (Walz, Ef-

культур водорослей стали использовать регистра-

felrich, Германия). Световые зависимости измеря-

цию световых кривых фотохимического и нефо-

ли при последовательном увеличении интенсив-

тохимического тушения флуоресценции, кото-

ности от 0 до 1600 мкмоль квантов⋅м^-2 с^-1. Для ре-

рые проводят на флуориметрах с импульсно-ам-

гистрации начальной флуоресценции (F_O)

плитудной модуляцией (РАМ - Pulse-Amplitude

использовали слабый измерительный свет, не вы-

Modulation) [9-11]. Измерения световых зависи-

зывающий фотохимических процессов. В конце

мостей проводится при последовательном увели-

каждого сеанса освещения с использованием на-

чении интенсивности света. Помимо РАМ-флуо-

риметрии также активно развиваются методы из-

сыщающей вспышки света (0,8 с, 3000 мкмоль

мерения индукционных кривых флуоресценции с

квантов ⋅ м^-2 с^-1) регистрировали параметры мак-

высоким временным разрешением (от 20 мкс)

симальной флуоресценции (F_M) и выход флуорес-

при возбуждении интенсивным светом на прибо-

ценции на свету F_(t). На основании измеренных

рах типа PEA (Plant Efficiency Analyzer) [12-14].

уровней флуоресценции рассчитывали следующие

Пруды Звенигородской биологической станции

параметры: F_V/F_М = (F_M - F_O)/F_M - максималь-

имени С.Н. Скадовского МГУ имени М.В. Ломоно-

ный квантовый выход фотохимии ФС II;

сова (ЗБС МГУ) входят в охраняемую зону и явля-

Yield = (F_M' - F_t)/F_M' - эффективный квантовый

ются объектами многолетних исследований и ме-

выход ФС II на свету; NPQ = (F_M - F_M')/F_M' - не-

стом проведения учебных практик студентов МГУ.

фотохимическое тушение флуоресценции. Отно-

Ранее мы исследовали многолетние изменения

сительную скорость нециклического транспорта

функционирования фотосинтетических процессов

электронов рассчитывали по формуле

[8]:

клеток летнего фитоплантона в этих прудах [15]. На-

rETR = Yield × E_i × 0,5, где E_i - освещенность

стоящая работа посвящена изучению сезонных из-

менений световых и индукционных зависимостей

(мкмоль квантов ⋅м^-2 с^-1).

параметров флуоресценции фитопланктона в водо-

Из световой кривой (rЕTR) рассчитывали:

емах ЗБС МГУ.

максимальную относительную скорость электро-

нов по электрон-транспортной цепи (ETR_max)

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

[8-11]. Обозначения и определения фотосинте-

тических параметров представлены в соответ-

Исследования проводили на трех водоемах

ствии с общепринятой номенклатурой [9].

ЗБС МГУ с мая по ноябрь 2017 г. Пробы фито-

Индукционные кривые флуоресценции хло-

планктона отбирали из прибрежных поверхност-

рофилла с высоким временным разрешением

ных вод из Стерляжьего (находится между «верх-

(начиная с 0.05 мс) регистрировали на импульс-

ними» и «нижними» дачами) и Пожарного пру-

ном портативном флуориметре Aquapen-C 100

дов, расположенного рядом со студенчискими

(Photon System Instruments, Чехия). Индукцион-

общежитиями, а также в Костином пруду, распо-

ные кривые флуоресценции хлорофилла а ини-

ложенном на месте старой каменоломни.

циировали синим светом (λ = 450 нм) интенсив-

Пробы помещали в темные пластмассовые ем-

ностью 3000 мкмоль квантов ⋅ м^-2 с^-1.

кости объемом 2 л. В них измеряли температуру,

гидрохимические параметры воды, видовой со-

Для количественного анализа характеристик

став фитопланктона, концентрацию пигментов, а

первичных процессов фотосинтеза из индукци-

также параметры флуоресценции хлорофилла.

онных кривых рассчитывали параметры флуорес-

Гидрохимический анализ воды проводили по

ценции с помощью стандартного JIP-теста [17].

стандартным общепринятым методикам [16].

Этот тест использует следующие характеристики

кинетической кривой индукции флуоресценции:

Концентрацию хлорофилла определяли пря-

интенсивности флуоресценции при 50 мкс (F_O),

мым спектрофометрическим методом в ацетоно-

вых экстрактах на спектрофотометре на базе пор-

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

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА

333

Содержание аммония, нитратов, нитритов и фосфатов в пробах воды из водоемов ЗБС МГУ с мая по октябрь в

2017 году

NH₄₊, мг/л

Водоем

Июнь

Июль

Сентябрь

Октябрь

Стерляжий

1.6

1.4

Пожарный

100

Костин

3.6

2.4

1.6

NO_3-, мг/л

Стерляжий

Пожарный

2.5

2.3

Костин

2.5

NO_2-, мг/л

Стерляжий

0.05

0.01

Пожарный

0.15

0.05

0.07

Костин

0.10

0.40

0.20

PO₄₊, мг/л

Стерляжий

0.125

0.05

Пожарный

5.00

0.18

0.20

5.00

Костин

0.075

0.03

0.30

0.45

мальная интенсивность флуоресценции), а также

ABS/RC = (TR₀/RC)/(TR₀/ABS) = M₀/V_J(1/φPo) =

усредненную величину в мс^-1начального накло-

= (M₀/V_J)/[(F_M - F₀)/F_M)];

на относительной переменной флуоресценции

- PI_ABS- индекс производительности - пока-

хлорофилла а (M₀). Эти величины затем исполь-

затель функциональной активности ФС II, отне-

зовали для расчета следующих параметров:

сенный к поглощаемой энергии как PI_ABS = [1 -

- F_V/F_M - максимальный квантовый выход

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

первичной фотохимической реакции в ФС II как

Для анализа и обработки полученных данных

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

использовали пакет программ Microsoft Excel

2013 (Microsoft Corporation, США) и Statistica v.6

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

(StatSoft, Inc., США). Проверку статистических

сле 2 мс освещения). Отражает количество закры-

гипотез осуществляли с помощью двухвыбороч-

тых реакционных центров по отношению к обще-

ного t-критерия Стьюдента для независимых вы-

му числу реакционных центров, которые могут

борок, уровень значимости принимали равным

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

0.05. Объем выборки для контрольных и опытных

образцов составлял не менее десяти повторно-

- φEo - квантовый выход электронного транс-

стей.

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

- V_J)/(F_V/F_M);

РЕЗУЛЬТАТЫ

- ABS/RC - поток энергии, поглощаемый од-

Гидрохимические показатели воды. Содержа-

ним активным реакционным центром, характе-

ние биогенных элементов в исследуемых прудах

ризует

относительный размер антенны: было подвержено заметным сезонным колебани-

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

334

МАТОРИН и др.

(а)

(б)

600

0.7

500

0.6

0.5

400

0.4

300

0.3

200

0.2

100

0.1

0.0

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

(б) фитопланктона в водоемах ЗБС МГУ с мая по октябрь 2017 г.: 1, 2, 3 - пробы из Пожарного, Стерляжьего и

Костиного прудов соответственно. На рисунке (а) слева приведена ось содержания хлорофилла в Стерляжьем и

Костином прудах, справа - в Пожарном пруду.

ям и значительно различалось между водоемами

осени наблюдалось увеличение минеральных

(таблица). Как видно из таблицы, наибольшее со-

форм фосфатов в результате деструкции органи-

держание биогенных элементов наблюдались в

ческого вещества. Так, в Пожарном и Костином

Пожарном пруду в течение всего периода иссле-

прудах осенью наблюдалось повышение концен-

дований с июня по октябрь.

трации фосфатов больше, чем в десять раз по

сравнению с летним периодом от 0.18 и 0.03 мг/л

Содержание аммонийного азота было наи-

в июле до 5.0 и 0.45 мг/л в октябре соответ-

большим в начале лета во всех водоемах. Макси-

ственно.

мальные концентрации аммонийного азота отме-

чены в Пожарном пруду с июня по октябрь с мак-

Сезонная динамика фитопланктонного сообще-

симумом в сентябре - 100 мг/л. Такие высокие

ства и его фотосинтетической активности. В каж-

показатели аммонийного азота в Пожарном пру-

дом исследованном водоеме ЗБС МГУ наблюда-

ду свидетельствуют о процессах сильной эвтофи-

ли разную смену доминирующих групп водо-

кации поверхностных вод водоема вследствие за-

рослей и разную динамику их фотосинтетической

грязнения водоема сточными водами. Низкое со-

активности.

держание аммонийного азота наблюдалось в

В Пожарном пруду в условиях повышенной

Стерляжьем пруду.

концентрации биогенных элементов наблюда-

Наименьшая концентрация нитратного азота

лось «гиперцветение» водоросли Chlorella vulgaris,

отмечалась в летний сезон, что было связано с ас-

составляющей практически 100% от общей чис-

симиляцией нитрата фитопланктоном. Так, кон-

ленности (максимальная численность отмечена в

центрация нитратов в летние месяцы во всех пру-

мае - 4.9 ⋅ 10¹⁰ кл/л). Концентрация хлорофилла в

дах не превышала 2.5 мг/л. В осенний период со-

июне достигла достаточно высоких значений

держание нитратов в воде увеличивалось в пять-

(рис. 1а). Высокая численность фитопланктона

десять раз по сравнению с летним периодом.

сопровождалась высокими значениями кванто-

Содержание нитритов в воде обусловлено про-

вого выхода флуоресценции F_V/F_Mв период с мая

цессами нитрификации, в результате чего проис-

по июль - до 0.7 (рис. 1б). К сентябрю сообще-

ходит превращение связанных форм азота в нит-

ство с доминированием хлореллы сменилось на

раты. Минимальное содержание нитритов в ис-

сообщество с доминированием цианобактерий.

следуемых водоемах отмечалось в сентябре.

Их фотосинтетическая активность была очень

Высокое содержание нитритов отмечалось в лет-

низкой - до 0.2 по параметру F_V/F_M.

ний период во всех исследуемых водоемах.

Содержание фосфатов было минимальным в

В Костином пруду в период с мая по сентябрь

июле, что связано с повышением температуры

доминировали цианобактерии рода Microcystis (от

воды и развитием продукционных процессов. К

86 до 97% от общей численности). В октябре их

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА

335

Рис. 2. Изменение параметров JIP-теста (φEo - квантовый выход переноса электронов далее Q_A-; PI_ABS - совокупный

индекс производительности ФС II) фитопланктона в водоемах ЗБС МГУ с мая по октябрь 2017 г.: 1, 2, 3 - из

Пожарного, Стерляжьего и Костиного прудов соответственно.

сменяли охрофитовые (преимущественно золо-

ны следующие параметры: φEo, характеризую-

тистая водоросль Kephyrion amphorula) и зеленые

щий перенос электронов за пределы Q_A-;

водоросли в соотношении 47 и 50% соответствен-

ABS/RC, характеризующий количество световой

но. Максимальный квантовый выход флуорес-

энергии, поглощенной одним реакционным цен-

ценции выявлен в июне-июле со значением

тром (RC); а также PI_ABS - совокупный индекс

F_V/F_M= 0.4. В сентябре наблюдался сильный

спад фотосинтетической активности, после кото-

производительности ФС II, зависящий от пара-

рого активность вновь повышалась до 0.33 к осен-

метров F_V/F_M, φEo и ABS/RC.

нему периоду.

Одним из наиболее чувствительных парамет-

В Стерляжьем пруду, в отличие от Пожарного

ров по отношению к стрессу является индекс

и Костиного прудов, пики фотосинтетической

производительности ФС II (PI_ABS) [18]. Было вы-

активности приходились на май и октябрь со зна-

явлено, что по параметру PI_ABS в Стерляжьем

чениями F_V/F_M = 0.45 и 0.52 соответственно.

пруду пик фотосинтетической активности прихо-

В летний период в Стерляжьем пруду наблю-

дился на октябрь, а в Пожарном и Костином - в

далось уменьшение фотосинтетической активно-

июле (рис. 2б). Поскольку при расчете параметра

сти (рис. 1б). Наибольшие концентрации хлоро-

PI_ABS используется ряд других параметров

филла наблюдались в мае (33.5 мкг/л) и сентябре

(F_V/F_M, φEo и ABS/RC), то можно проследить, ка-

(39.6 мкг/л) (рис. 1а). В условиях пониженной

концентрации минеральных веществ к середине

кие именно из этих трех параметров вносят наи-

лета происходила смена сообществ фитопланкто-

больший вклад в изменение PI_ABS. Так, июль-

на с охрофитовых и зеленых водорослей на сооб-

ский максимум в Пожарном и Костином прудах

щество, состоящее в основном из миксотрофных

обусловлен повышением эффективности перено-

представителей отдела эвгленовых. Осенний пик

са электронов дальше ФС II (φEo) (рис. 2а). Так,

активности сопровождался доминированием ди-

φEo увеличивался с мая по июль от 0.13 до 0.27 и от

нофитовых водорослей.

0.08 до 0.18 в Пожарном и Костином прудах соот-

Параметры индукционных и световых кривых

ветственно, в то время как значения F_V/F_M дости-

флуоресценции фитопланктона. Для более подроб-

гали максимального значения, особенно в

ного анализа функционального состояния фото-

Пожарном пруду. Эти результаты согласуются с

синтетического аппарата были проанализирова-

увеличением скорости нециклического элек-

ны параметры индукции флуоресценции, харак-

тронного транспорта (rETR_max) в период с мая по

теризующие состояние переносчиков между

двумя фотосистемами [17]. Среди параметров

июль в этих двух прудах (рис. 3a). Полученные

флуоресценции, полученных из индукционных

данные мы связываем с увеличением активности

кривых с помощью JIP-теста, нами были выбра-

темновых реакций фотосинтеза [19, 20].

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

336

МАТОРИН и др.

(a)

Рис.

3. Изменение максимальной относительной скорости транспорта электронов (ETR_max) (а) и уровня

нефотохимического тушения (NPQ) при освещенности 1600 мкмоль квантов×м^-2с^-1 (б) фитопланктона в водоемах

ЗБС МГУ с мая по октябрь 2017 г.: 1, 2, 3 - из Пожарного, Стерляжьего и Костиного прудов соответственно.

В Костином пруду рост PI_ABSнаблюдался осе-

Наибольшие значения NPQ во все сезоны на-

блюдались в Стерляжьем пруду. В Пожарном

нью, который был обусловлен значительным из-

пруду обнаружено небольшое увеличение NPQ в

менением всех трех параметров, входящих в со-

июле, а в октябре уровень NPQ, как и rETR_max,

став PI_ABS. Так, увеличивался квантовый выход

снижался практически до нуля. Фитопланктон из

разделения зарядов и переноса электронов далее

Костиного пруда отличался самыми низкими

ФС II, а также существенно уменьшалось значе-

значениями NPQ (рис. 3б).

ние ABS/RC. Параметр ABS/RC снижался от 35.4

(в сентябре) до 8.9 (в ноябре), что связано с

В целом полученные значения нециклическо-

уменьшением среднего размера антенны, а также

го электронного транспорта соответствовали на-

блюдаемым пикам квантового выхода разделения

с увеличением количества активных реакцион-

зарядов в ФС II (F_V/F_M), а также зависели от ви-

ных центров.

дового состава фитопланктона. Так, в Стерля-

В Стерляжьем пруду летом наблюдалось

жьем пруду повышалась фотосинтетическая ак-

уменьшение количества активных реакционных

тивность в октябре по сравнению с июлем, но ви-

центров ФС II. Об этом свидетельствует возраста-

довой состав оставался примерно таким же.

ние параметра ABS/RC от 7.3 до 13.4 и уменьше-

Кроме того, существенного повышения ETR_max

ние максимального квантового выхода (F_V/F_M). В

не наблюдалось. С другой стороны, в Пожарном

то же время квантовый выход переноса электро-

пруду в мае и июле доминировала хлорелла, а ско-

нов (φEo) остался постоянным в период с мая по

рость электронного транспорта возрастала в че-

тыре раза. Это, возможно, связано с активацией

июль со значением около 0.15.

темновых реакций цикла Кальвина-Бенсона в

Световые кривые флуоресценции были полу-

более теплый летний период [19, 20].

чены при исследовании реакции фитопланктона

Измерение параметра нефотохимического ту-

на возрастающую световую нагрузку. Из свето-

шения (NPQ) позволяет объяснить наблюдаемые

вых кривых флуоресценции рассчитывались мак-

пики фотосинтетической активности в прудах.

симальная скорость нециклического электрон-

Как видно из рис. 3б, у фитопланктона в Стерля-

ного транспорта (rETR_max) и параметр нефотохи-

жьем пруду наблюдали самые высокие значения

мического тушения (NPQ) (рис. 3).

NPQ во все исследуемые сезоны. Известно, что

недостаток минеральных веществ приводит к

В Пожарном и Костином прудах максималь-

увеличению чувствительности к световым на-

ные значения rETR_max приходились на июль, то-

грузкам. Из-за недостатка биогенных элементов

гда как в Стерляжьем пруду - на май. Минималь-

водоросли снижают эффективность репарации

ные значения rETR_max наблюдались в Пожарном

белка второй фотосистемы D1, который разруша-

и Костином прудах в октябре, а в Стерляжьем

ется под действием высокой интенсивности све-

пруду - в июле (рис. 3а).

та, что приводит к увеличению квантового выхо-

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА

337

да нефотохимического тушения (NPQ). Возмож-

флуоресценции хлорофилла) позволили выявить

но, это является причиной того, что в

изменения особенностей функционирования

Стерляжьем пруду, в период наибольшей свето-

световых стадий, протекающих в фотосинтетиче-

вой нагрузки, к середине лета начинают разви-

ском аппарате фитопланктона в водоемах ЗБС

ваться эвгленовые водоросли, способные перехо-

МГУ в разные сезоны. Результаты работы показа-

дить на гетеротрофный тип питания. В Костином

ли, что по параметрам флуоресценции хлорофил-

и Пожарном прудах, где содержание биогенных

ла можно определить сезонные пики активности

элементов было относительно высоким в летний

природного фитопланктона. Было показано, что

период, значения NPQ были ниже 0.4.

сезонные изменения активности фотосинтетиче-

Изучение процессов фотоингибирования фото-

ского аппарата фитопланктона зависят от обеспе-

синтеза фитопланктона. Ранее в работе [15] было

ченности биогенными элементами и видового со-

показано, что в 2017 г. пики фотосинтетической

става.

активности в двух прудах (Костином и Пожар-

ном) приходились на июль. В связи с этим нами

В Стерляжьем пруду основными доминирую-

было проведено исследование восстановления

щими группами были представители отделов

фотосинтетического аппарата фитопланктона по

охрофитовых и динофитовых водорослей, у кото-

параметру F_V/F_M после фотоингибирования в те-

рых дополнительным пигментом вместо хлоро-

чение часа светом с интенсивностью 3000 мкмоль

филла b является хлорофилл с. Ранее показано,

квантов⋅м^-2с^-1.

что фотосинтезирующие организмы, у которых

отсутствует хлорофилл b, более чувствительны к

Известно, что высокие интенсивности света

приводят к ингибированию фотосинтетических

высоким интенсивностям света [22]. В связи с

процессов у природного фитопланктона [1]. Дан-

этим пики фотосинтетической активности у фи-

ное явление в природных условиях называется

топланктона этого пруда наблюдались весной и

полуденной депрессией или фотоингибировани-

осенью, когда освещенность была не такой высо-

ем фотосинтеза. Скорость восстановления фото-

кой как летом. Тем не менее параметр нефотохи-

синтетической активности после фотоингибиро-

мического тушения (NPQ) оставался высоким во

вания зависит от скорости реперации белка D1

все сезоны. В середине лета в период наибольшей

комплекса ФС II [21].

освещенности возрастает потребность в мине-

У фитопланктона в Стерляжьем пруду значе-

ральном питании и повышается чувствитель-

ния F_V/F_M не восстанавливалисьпосле длитель-

ность ФС II к фотоингибированию. Это прояви-

ного фотоингибирования. Сразу после выключе-

лось в эксперименте по искусственному фотоин-

ния освещения показатель F_V/F_M составил 41%

гибированию фотосинтетической активности

от исходного значения, через час после выключе-

фитопланктона. Фитопланктон из Стерляжьего

ния - 48%. У фитопланктона в Пожарном пруду

пруда не восстановился после интенсивного

F_V/F_M восстанавливался с 49.1% до 81.8% от ис-

освещения в течение часа, что связано с замедле-

ходного значения. В Костином пруду фитопланк-

нием скорости синтеза белка D1 комплекса ФС II

тон практически не подвергался фотоингибиро-

вследствие недостатка биогенных веществ.

ванию. После выключения освещения квантовый

Зависимость обилия фитопланктона от кон-

выход фитопланктона из данного пруда уже со-

центрации биогенных веществ наиболее ярко

ставлял 82%; в течение часа он восстанавливался

прослеживалась на примере Пожарного пруда. В

до 88%.

условиях высокой эвтрофикации в весенне-лет-

Полученные различия в восстановлении кван-

ний период 2017 г. в этом пруду нами обнаружено

тового выхода фотохимии ФС II после фотоинги-

цветение монокультуры Chlorella vulgaris с очень

бирования были обусловлены тем, что в Пожар-

ном и Костином прудах фитопланктон в июле на-

высокой активностью ФС II, определенной по

ходится на пике своей фотосинтетической

параметрам F_V/F_M, PI_ABS и φEo. Следует отме-

активности - в отличии от фитопланктона из

тить, что ранее Пожарный пруд характеризовался

Стерляжьего пруда, который находится в состоя-

низкой концентрацией фитопланктона и низким

нии летней депрессии (рис. 2б). Кроме того, фи-

квантовым выходом фотохимии ФС II (F_V/F_M)

топланктон из Стерляжьего пруда отличался вы-

[15]. Активность фитопланктона в Пожарном

сокими значениями NPQ (рис. 3б), что свидетель-

пруду в 2017 г. достигла максимума в июле с по-

ствует о его высокой чувствительности к световой

следующим уменьшением в осенний период.

нагрузке.

В Костином пруду c мая по сентябрь домини-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ровали представители отдела цианобактерий Mi-

Применение современных биофизических

crocystis spp., которые характеризовались низкими

подходов (световых и индукционных кривых

значениями NPQ во все сезоны.

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020

338

МАТОРИН и др.

Результаты анализа параметров флуоресцен-

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

ции JIP-теста позволили выявить особенности

дика измерений обилия и индикации изменения со-

стояния фитопланктона в природных водах флуо-

функционирования фотосинтетического аппара-

ресцентным методом. Теоретические и практиче-

та фитопланктона исследуемых водоемов. Во-

ские аспекты (Альтрекс, М., 2012).

первых, с помощью совокупного индекса произ-

водительности ФС II (PI_ABS) были выявлены пи-

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

Oceanologia 46 (4), 519 (2004).

ки активности ФС II, которые наблюдались в По-

жарном и Костином прудах в июле, а в Стерля-

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

Oceanologia 42 (2), 203 (2000).

жьем пруду в октябре. Во-вторых, было

выявлено, что наблюдаемый пик активности в

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

июле обусловлен увеличением квантового выхода

филла высших растений и водорослей (ИКИ-РХД,

Ижевск, 2012).

переноса электронов далее Q_A-(φEo). Кроме то-

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

го, в этих прудах мы также наблюдали увеличение

Oceanologia 43 (3), 291 (2001).

максимальной скорости нециклического элек-

тронного транспорта (ETR_max) в июле.

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

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

Понижение производительности ФС II

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

(PI_ABS) в Стерляжьем пруду было обусловлено

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

понижением квантового выхода разделения заря-

дов (F_V/F_M) и увеличением доли поглощенной

U. Schreiber, in Chlorophyll a fluorescence: A signature

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

энергии на один реакционный центр (ABS/RC),

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

тогда как значения φ_Eo с мая по июль оставались

279-319.

неизменными. Во всех прудах отмечали обратную

зависимость между долей энергии, диссипиро-

10.

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

ванной в тепло (NPQ), и фотосинтетической ак-

(2005).

тивностью.

11.

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

ol. 146, 903 (2005).

Анализ данных по сезонной динамике природ-

ного фитопланктона показал, что состояние фи-

12.

В. Н. Гольцев и др., Переменная и замедленная флу-

топланктона подвержено значительным сезон-

оресценция хлорофилла a - теоретические основы и

ным колебаниям, а флуоресцентные методы мо-

практическое приложение в исследовании растений

гут быть использованы для получения

(ИКИ-РХД, Ижевск, 2014).

оперативной информации о состоянии природ-

13.

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

ного фитопланктона.

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

(2010).

БЛАГОДАРНОСТИ

14.

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

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

Авторы выражают благодарность директору

Dordrecht, 2009), pp. 85-123.

ЗБС МГУ В.М. Гаврилову за помощь в организа-

15.

Д. Н. Маторин, Н. П. Тимофеев, М. Л. Синдалов-

ции исследований и Н.А. Шидловской за измере-

ская и др., Биофизика 64 (6), 1057 (2019).

ния гидрохимического состава воды.

16.

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

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

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

17.

R. J. Strasser, M. Tsimilli-Michael, and A. Srivastava,

Авторы заявляют об отсутствии конфликтов

in Chlorophyll a fluorescence: A signature of Photosynthe-

интересов.

sis, Ed. by G. Papageorgiou and Govindjee (Springer,

Dordrecht, The Netherlands, 2004), pp. 321-362.

18.

M. Zivcak, M. Brestic, K. Olsovska, et al., Plant Soil.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Environ. 54 (4), 133 (2008).

Настоящая работа не содержит описания ка-

19.

J. A. Raven and R. J. Geider, Wiley Online Library 110

ких-либо исследований с использованием людей

(4) (1988).

и животных в качестве объектов.

20.

I. R. Davison, Wiley Online Library 27 (1) (1991).

21.

E. Tyystjärvi, Coordination Chem. Rev. 252 (3-4), 361

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(2008).

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

22.

Z.-F. Lin, G.-Z. Lin, and C.-L. Peng, Photosynthetica

(Princeton University Press, Princeton, 2013).

47 (1), 46 (2009).

БИОФИЗИКА том 65

№ 2

2020