БИОФИЗИКА, 2021, том 66, № 5, с. 917-924

БИОФИЗИКА КЛЕТКИ

УДК 581.132

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ФИТОПЛАНКТОНА РЕКИ МОСКВА

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНОВ РТУТИ

Л.Б. Братковская**, Д.Н. Маторин**

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

677013, Якутск, ул. Кулаковского, 48

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

119234, Москва, ул. Ленинские горы, 1/12

E-mail: ff.protopopov@s-vfu.ru

Поступила в редакцию 27.04.2021 г.

После доработки 27.05.2021 г.

Принята к публикации 28.05.2021 г.

Представлены результаты мониторинговых наблюдений трех участков р. Москва, различающихся

по уровню загрязнения с применением комплекса параметров флуоресценции хлорофилла.

Фотосинтетическая активность фитопланктона по всему руслу была неодинаковой. Наиболее

высокие значения активности фотохимических процессов фитопланктона обнаружены на условно

чистом участке реки (на входе в город), тогда как на загрязненных участках (середина реки и на

выходе из города) активность фитопланктона была снижена. Эффективность световых реакций

фотосинтеза в фотосистеме II (F_V/F_M, PI_ABS) у фитопланктона весной была выше, чем в летний

период. Эти процессы сопровождались уменьшением диссипации поглощенной энергии в тепло

(φ_Do). Инкубация фитопланктона из р. Москва в присутствии солей хлорида ртути выявила

различия в чувствительности к токсическому воздействию фитопланктона из разных частей реки, а

также более низкую устойчивость фитопланктона к ртути в летний сезон по сравнению с весенним.

Наиболее чувствительным параметром к токсическому воздействию ртути был индекс

производительности фотосистемы II (PI_ABS), который можно рекомендовать при проведении

биотестирования и биомониторинга активности фотосинтетических реакций фитопланктона в

природных условиях.

Ключевые слова: река Москва, хлорид ртути, фитопланктон, флуоресценция хлорофилла, фотосинтез,

мониторинг загрязнения вод.

DOI: 10.31857/S0006302921050094

планктона при проведении различных гидробио-

Москва-река является крупной водной арте-

логических и токсикологических работ [4-15].

рией, протекающей через мегаполис. Состояние

Флуоресцентный метод используется для оценки

водной среды по руслу реки меняется в силу мно-

концентрации хлорофилла у интактных водорос-

гих факторов, в том числе за счет загрязнения во-

лей, а также в экстрагированных из них растворах

ды [1, 2]. Природный фитопланктон является

пигментов [4, 7, 16-18]. На основе флуоресцен-

первичным звеном трофической цепи водных

ции хлорофилла на кафедре биофизики биологи-

экосистем [3-5]. Известно, что изменения на

ческого факультета МГУ разработана «Методика

первичном трофическом уровне приводят к изме-

измерений обилия и индикации изменения со-

нениям в остальных звеньях водной экосистемы.

стояния фитопланктона в природных водах флу-

В связи с этим регистрация характеристик фито-

оресцентным методом» (ФР.1.39.2011.11246, ПНД

планктона является одним из способов оценки

Ф 14.2.268-2012). Методика допущена для целей

состояния водной среды в целом.

государственного экологического контроля по

Флуоресценция хлорофилла в настоящее вре-

разделу «Количественный химический анализ

мя активно применяется для изучения фито- вод» [16]. Интенсивность начальной флуоресцен-

ции (F_O) рекомендуется для оценки биомассы и

Сокращения: ст. - станция, ФС II -фотосистема II, РЦ - скорости роста водорослей, а отношение пере-

реакционный центр, QA и QB - первичный и вторичный

менной флуоресценции к максимальной (F_V/F_M)

хинонные акцепторы электрона, КОС - Курьяновские

очистные сооружения.

для оценки квантового выхода фотосинтеза, ко-

917

918

ПРОТОПОПОВ и др.

торый является мерой физиологической актив-

все исследуемые образцы выдерживали в темноте

ности водорослей. Важным преимуществом этих

в течение 10-15 мин для окисления переносчиков

методов является их экспрессность и высокая

в фотосинтетической электронтранспортной це-

чувствительность, что позволяет быстро диагно-

пи.

стировать состояние объектов непосредственно в

Для количественного анализа характеристик

среде его обитания in situ.

первичных процессов фотосинтеза по индукци-

В последнее время для оценки работы фото-

онным кривым флуоресценции рассчитывали па-

синтетического аппарата в культурах водорослей

раметры с помощью стандартного JIP-теста [6,

и природного фитопланктона активно начинают

19, 20, 22]. Этот тест использует следующие ха-

использовать методы измерения индукционных

рактеристики кинетической кривой индукции

кривых флуоресценции с высоким временным

флуоресценции: интенсивность флуоресценции

разрешением [6, 19, 20]. Характеристики кривых

при 50 мкс (F_O), 2 мс (F_J), 30 мс (F_I), а также F_M

позволяют определить изменения на разных

(максимальная интенсивность флуоресценции),

участках фотосинтетической электронтранспорт-

а также усредненную величину в мс^-1 начального

ной цепи. Ранее мы использовали флуоресцент-

наклона относительной переменной флуорес-

ные методы для изучения фотосинтетических

ценции хлорофилла а (M₀). Эти величины затем

процессов фитопланктона в р. Москва [3, 5, 7, 21].

использовали для расчета следующих парамет-

Настоящая работа посвящена изучению энер-

ров, которые подробно описаны в обзорных ра-

гозапасающих фотосинтетических процессов фи-

ботах [6, 19, 20]:

топланктона на трех участках р. Москва, испыты-

- F_V/F_M (= φPo) - максимальный квантовый

вающих различную антропогенную нагрузку, и

при воздействии ионов ртути.

выход первичной фотохимической реакции в фо-

тосистеме II (ФС II): F_V/F_M = φPo = (F_M -

- F_O)/F_M;

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

- V_J - относительная амплитуда фазы O-J

Исследования были выполнены в 2017 г. на

(после 2 мс освещения). Отражает количество за-

трех станциях (ст.), расположенных по течению

крытых реакционных центров (РЦ) по отноше-

р. Москва - на входе реки в г. Москва в районе

нию к общему числу РЦ ФС II: V_J = (F_J - F_O)/

Тушино (ст. «Тушино»), на ст. «Воробьевы горы»

и на выходе реки из города около г. Дзержинский

(F_M - F_O);

(ст. «Дзержинский»). Отбор проб воды проводи-

- ψ_o - параметр вероятности переноса элек-

ли в утренние часы в прибрежной зоне с глубины

трона далее первичного хинонного акцептора

0.5 м с помощью батометра. Воду отбирали в пла-

(Q_A): ψ_o = 1 - V_J;

стиковые емкости объемом 2 л и не более чем че-

рез 1.5 ч доставляли в лабораторию в переносной

- φEo - квантовый выход электронного транс-

сумке-холодильнике. При проведении лабора-

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

торных экспериментов использовали колбы объ-

- V_J)/(F_V/F_M);

емом 100 мл, в которых добавляли токсикант -

φDo - квантовая эффективность рассеивания

хлорид ртути (HgCl₂, Sigma-Aldrich, США) и ин-

энергии в тепло: φDo= 1 - φPo = F_O/F_M;

кубировали в течение

3 ч при освещении

- PI_ABS - индекс производительности - пока-

100 мкмоль квантов·м^-2· с^-1.

затель функциональной активности ФС II, отне-

Концентрацию хлорофилла определяли по

сенный к поглощаемой энергии: PI_ABS = [1 -

стандартной методике прямым спектрофотомет-

рическим методом в ацетоновых экстрактах на

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

спектрофотометре на базе портативного спектро-

Для анализа и обработки полученных данных

метра USB 2000 (Ocean Optics Inc., США).

использовали пакет программ Microsoft Excel

Индукционные кривые флуоресценции хло-

2013 (Microsoft Corp., США) и Statistica v.10 (Stat-

рофилла регистрировали с высоким временным

Soft Inc., США). Подсчет концентрации хлорида

разрешением (начиная с 0.02 мс) на импульсном

ртути, вызывающей 50%-е ингибирование пара-

портативном флуориметре AquaPen-C AP-С 100

метров флуоресценции хлорофилла (IC₅₀), опре-

(Photon System Instruments, Чехия). Индукцион-

деляли на основе дозазависимых кривых с помо-

ные кривые флуоресценции хлорофилла иниции-

щью программного обеспечения OriginPro 9.0.0

ровали синим источником света (λ = 450 нм) ин-

(OriginLab Corp., США). Проверку статистиче-

тенсивностью 3000 мкмоль квантов·м^-2· с^-1. По-

ских гипотез осуществляли с помощью однофак-

левые исследования флуоресценции хлорофилла

торного дисперсионного анализа (one-way ANO-

и измерения температуры воды проводили непо-

VA, тест Tukey HSD при α = 0.05). Объем выборки

средственно на месте после отбора проб воды.

в полевых и лабораторных исследованиях состав-

Перед проведением регистрации флуоресценции

лял 10 повторностей.

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ФИТОПЛАНКТОНА РЕКИ МОСКВА

919

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

июля - 21, 23 и 19 мкг ⋅ л^-1 для станций «Туши-

Краткая характеристика экологического состоя-

но», «Воробьевы горы» и «Дзержинский» соот-

ния районов исследования. Исторически по тече-

ветственно. Ранее было показано, что основные

нию р. Москва в черте города выделяются три

сукцессии фитопланктона в зоне влияния КОС

участка с различной степенью загрязнения. Пер-

такие же, как и на участках реки выше города [21].

Весной по числу видов и общей численности кле-

вый участок - район Тушино, который традици-

онно считается наиболее чистым участком реки.

ток преобладали диатомовые водоросли в пунк-

Второй участок реки находится в центральной ча-

тах на входе в город, выше КОС, а также на рас-

сти города, в нем содержание нефтепродуктов и

стоянии в 14 км от стока вод из КОС. Летом пре-

металлов колеблется как в течение года, так и

обладающими являлись зеленые водоросли и

вдоль течения реки. Третий участок расположен

немного меньше - диатомовые.

на выходе реки из города, здесь находятся Курья-

Оценку активности природного фитопланктона

новские очистные сооружения (КОС), сбросы

проводили по параметру флуоресценции F_V/F_M,

воды из них приводят к увеличению в реке кон-

отражающим максимальный квантовый выход

центрации биогенных элементов (аммония, нит-

ФС II, связанной с разложением Н₂О и выделе-

ритов, фосфатов) [2]. Расстояние от стока вод из

нием О₂ [15, 19]. В природных водоемах с высо-

КОС до ст. «Дзержинский» составило 14 км. По

данным Доклада Мосэкомониторинга за 2017 г.

ким содержанием биогенных элементов значения

качество воды в р. Москва на входе в город соот-

FV/FM могут достигать 0.6-0.7. Под действием

ветствовало нормативам, установленным для

стрессовых факторов, в том числе и загрязняю-

водных объектов культурно-бытового назначе-

щих веществ, этот показатель может умень-

ния, и речные воды на этом участке характеризо-

шаться.

вались как «условно чистые». В центральной ча-

В динамике фотосинтетической активности

сти города в 2017 г. наблюдалось увеличение со-

фитопланктона, выраженной через величину

держания взвешенных веществ, аммония и

FV/FM, так же как и в случае содержания хлоро-

нефтепродуктов по сравнению с содержанием

филла а, прослеживалось влияние сезонного

этих веществ на входе реки в город. На выходе из

фактора. В зимний период активность фито-

города под влиянием сброса вод из КОС в реке

планктона на всех трех станциях была крайне

значительно увеличиваются концентрации био-

низкой (F_V/F_M менее 0.01). Крайне низкие значе-

генных веществ. Как следствие, вода в р. Москва

на выходе из города характеризовалась в 2017 г.

ния соотношения F_V/F_M в этот период были свя-

как «слабо загрязненная» [2].

заны, вероятно, с интенсивным охлаждением по-

верхностных вод и сменой комплекса фито-

Ранее нами было показано, что на выходе реки

планктона на зимний.

из города (ст. «Дзержинский») температура воды

в период гидрологической зимы (с ноября по

В весенний период (с марта по май) наблюда-

март) была несколько выше, чем на ст. «Воробье-

лось резкое увеличение активности фитопланк-

вы горы» и значительно выше, чем на ст. «Туши-

тона, которое связано с сезонным подъемом тем-

но» [3]. Весенний подъем температуры поверх-

пературы воды. Уже в марте на ст. «Дзержинский»

ностного слоя воды в реке на ст. «Дзержинский»

она составила 3.5°C, и, соответственно, величина

начинался уже в начале марта, в то время как по-

соотношения F_V/F_M для пробы воды с этой стан-

вышение температуры воды на ст. «Тушино» и

ции достигла 0.25, тогда как на станциях «Туши-

«Воробьевы горы» начиналось спустя месяц в

но» и «Воробьевы горы» значения F_V/F_M в марте

первых числах апреля. Таким образом, на ст.

составили только 0.04 и 0.02 при температурах во-

«Дзержинский» были отмечены как более высо-

ды 0.3 и 0.4°C соответственно. В мае значения

кая температура воды в зимний период, так и ее

более ранний весенний подъем.

FV/FM^{в пробах воды с обследованных станций}

колебались уже в пределах 0.52-0.68, причем

По данным наших исследований температура

максимальное значение F_V/F_M было зарегистри-

воды на станциях отбора проб в середине мая со-

ровано на ст. «Тушино».

ставила 10-15°C, в июле повышалась до 20°C.

Содержание хлорофилла а в зимний период бы-

Важно отметить, что увеличение концентра-

ло наиболее низким. На участках реки на ст. «Ту-

ции фитопланктона по хлорофиллу в 2017 г. не-

шино» и «Воробьевы горы» весеннее увеличение

сколько запаздывало по сравнению с активно-

содержания хлорофилла а начиналось в апреле, а

стью, определенной по F_V/F_M. Этот факт показы-

на ст. «Дзержинский» на несколько недель рань-

вает, что появление в популяции клеток

ше, в марте, что, вероятно, связано с более высо-

водорослей с высокой активностью фотосинтети-

кими температурами поверхностного слоя этого

ческого аппарата и соответственно с высоким

участка реки. Содержание хлорофилла а в середи-

значением F_V/F_M предшествует наступлению пе-

не мая составило 19, 16 и 15 мкг ⋅ л^-1 и в середине

риода увеличения концентрации фитопланктона.

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

920

ПРОТОПОПОВ и др.

Рис. 1. Индукционные кривые быстрой флуоресценции фитопланктона р. Москвa в середине мая (а) и в июле (б).

Цифрами обозначены станции отбора проб воды: 1 - «Тушино», 2 - «Воробьевы горы», 3 - «Дзержинский».

Подобный эффект наблюдался нами на оз. Бай-

ная в этот период на всех обследованных станци-

кал [19].

ях, свидетельствует о том, что фитопланктон

весной не был лимитирован по основным факто-

Наибольший интерес представляло сравнить

рам среды. После весеннего максимума фотосин-

параметры индукции флуоресценции хлорофил-

ла во время весеннего и летнего развития фито-

тетическая активность фитопланктона на всех

планктона (рис. 1). Значения F_V/F_M и других па-

трех станциях снижалась, причем этот спад был

более всего выражен на ст.

«Дзержинский»

раметров в мае и июле представлены на рис. 2. В

(F_V/F_M = 0.39). Это может свидетельствовать о

майский период F_V/F_M достигал на всех станциях

наиболее высоких значений, причем на ст. «Ту-

негативном влиянии на активность фитопланк-

шино» F_V/F_M был максимальным со значением

тона различных загрязнений, поступающих в ре-

ку из мегаполиса и сбросов КОС. В то же время

0.68, а на ст. «Воробьевы горы» и «Дзержинский»

наиболее высокие F_V/F_M, наблюдавшиеся в лет-

он составил 0.53 и 0.52 соответственно. Относи-

тельно высокая для речного фитопланктона фо-

ний период на ст. «Тушино» (0.53), вероятно, сви-

тосинтетическая активность, зарегистрирован-

детельствуют о том, что условия для развития фи-

Рис. 2. Изменение параметров JIP-теста, рассчитанных из индукционных кривых флуоресценции хлорофилла (см.

рис. 1), где F_V/F_M - максимальный квантовый выход первичной фотохимической реакции в ФС II, φEo - квантовый

выход электронного транспорта за пределы Q_A, φDo - квантовая эффективность рассеивания энергии в тепло, PI_ABS -

индекс производительности ФС II. Представлены данные по весеннему (а) и летнему (б) фитопланктону. Столбиками

показаны значения параметров последовательно со станций «Тушино», «Воробьевы горы» и «Дзержинский». Планки

погрешностей соответствуют доверительному интервалу (при α = 0.05, n = 10.

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ФИТОПЛАНКТОНА РЕКИ МОСКВА

921

Рис. 3. Концентрации полуингибирующего воздействия хлорида ртути (IC50) на параметры флуоресценции

фитопланктона р. Москва, где F_V/F_M - максимальный квантовый выход первичной фотохимической реакции в ФС

II, PI_ABS- индекс производительности ФС II. Фитопланктон весной (май) и летом (июль) инкубировали с хлоридом

ртути в течение 3 ч. Планки погрешностей соответствуют доверительному интервалу (при α = 0.05, n = 10)..

топланктонного сообщества здесь были наиболее

сипации в тепло (φDo), в особенности на ст.

благоприятными в летний период по сравнению с

«Дзержинский» (рис. 2).

другими станциями.

«Витальность» растений можно охарактеризо-

Сравнение параметров флуоресценции, свя-

вать индексом производительности PI_ABS [6, 22,

занных с квантовыми потоками электронов, по-

23]. Этот параметр включает в себя три независи-

казало, что в весенний период на всех станциях

мых параметра: плотность «активных» РЦ ФС II;

наблюдается в среднем увеличение эффективно-

вероятность того, что поглощенный фотон

сти переноса электронов в ФС II (F_V/F_M и φEo) и

будет захвачен РЦ и эффективность движения

снижение доли диссипации энергии в тепло ан-

электрона по электрон-транспортной цепи. Ин-

тенными комплексами (φDo) по сравнению с

декс PI_ABS отражает функциональное состояние

июлем (рис. 2). Таким образом, в весенний пери-

ФС II на свету и дает нам комплексную характе-

од фотосинтетическая активность ФС II у фито-

ристику текущего состояния фотосинтетического

планктона была несколько выше, чем в летний

аппарата [20]. В мае наблюдали высокие показа-

период.

тели индекса PI_ABS на всех станциях р. Москва.

На ст. «Тушино» показатель PI_ABS был несколько

Нами было отмечено, что параметр вероятно-

сти переноса электрона далее первичного хинон-

выше, чем на ст. «Воробьевы горы» и «Дзержин-

ного акцептора Q_A (ψ_o) изменялся незначительно

ский», тогда как в летнее время происходило не-

на всех трех станциях р. Москва в мае и июле

которое снижение индекса производительности

ФС II на всех станциях.

(данные не представлены). Это позволяет заклю-

чить, что в исследуемых пробах воды не отмечает-

Определение чувствительности фитопланктона

ся существенного влияния факторов среды на

к воздействию ионов ртути в зависимости от сезона.

сайт связывания Q_B - вторичного хинонного ак-

Известно, что устойчивость клеток водорослей к

цептора электрона. Тем самым, параметр кванто-

загрязнениям может существенно изменяться в

зависимости от состояния клеток в разных эколо-

вого выхода электронного транспорта (φEo) в ФС

гических условиях [17, 19]. Чувствительность фи-

II снижается в летнее время, главным образом,

топланктонного сообщества р. Москва к ионам

счет снижения параметра F_V/F_M.

ртути определяли по двум основным вышеопи-

Известно, что изменение максимального

санным параметрам флуоресценции - это F_V/F_M

квантового выхода (F_V/F_M) тесно связано с изме-

и PI_ABS. Соли HgCl₂ значимо снижали квантовый

нением сопряженности антенного комплекса с

выход F_V/F_M активного весеннего фитопланкто-

реакционным центром ФС II. Снижение количе-

на уже при концентрации 1 мкмоль ⋅ л^-1. Были

ства активных РЦ обычно ведет к возрастанию

определены дозы полуингибирования (IC₅₀) для

доли неиспользуемой энергии, т.е. доли тушения

энергии возбуждения в антенном комплексе за

параметров F_V/F_M и PI_ABS (рис. 3). Для параметра

счет увеличения диссипации в тепло (φDo). У лет-

FV/FM у весеннего фитопланктона на станциях

него фитопланктона по сравнению с весенним

«Тушино» и «Воробьевы горы» 50% снижение

наблюдалось увеличение квантового выхода дис-

происходило при концентрации

23.2

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

922

ПРОТОПОПОВ и др.

16.8 мкмоль ⋅ л^-1 HgCl₂ соответственно. Стоит от-

ОБСУЖДЕНИЕ

метить, что фитопланктон со ст. «Дзержинский»

Первичная продукция фитопланктона опреде-

обладал меньшей устойчивостью к ионам ртути,

ляется функционированием сложноорганизован-

чем фитопланктон с других станций, его IC₅₀ для

ной системы фотосинтеза, включающей светосо-

бирающий пигментный комплекс, реакционные

параметра F_V/F_M составляла 6.7 мкмоль ⋅ л^-1.

центры и электронтранспортную систему, где

происходит первичное преобразование солнеч-

Индекс производительности ФС II PI_ABS яв-

ной энергии с разложением воды и выделением

ляется комбинированным параметром флуорес-

О₂. Ранее в гидробиологии использовали пара-

ценции хлорофилла, и он часто является более

метр флуоресценции F_V/F_M - максимальный

чувствительным параметром к загрязнениям по

квантовый выход первичных фотохимических

сравнению с F_V/F_M [23, 24]. Для весеннего фито-

реакций в ФС II [15]. Он определяется как соот-

планктона значимое снижение параметра PI_ABS

ношение интенсивности флуоресценции при на-

при действии HgCl₂ у фитопланктона, отобран-

сыщающем фотосинтез свете (F_M) и в условиях,

ного в мае, наблюдали уже при концентрации 0.1

не вызывающих изменений состояния фотосин-

тетического аппарата (F_O) (низкая интенсив-

мкмоль ⋅ л^-1. Значение IC₅₀, вызывающее полу-

ность света). Параметр F_V/F_M представляет собой

снижение индекса производительности ФС II,

безразмерную энергетическую характеристику

равнялось 0.37 мкмоль ⋅ л^-1 для станции «Дзер-

фотосинтеза, аналогичную коэффициенту полез-

жинский» и 0.47 и 1.1 мкмоль×л^-1 для станций

ного действия и не зависящую от видовой специ-

«Воробьевы горы» и «Тушино» соответственно.

фики организма. В последнее время при работе с

Так же как и для параметра F_V/F_M статистически

культурами водорослей активно развиваются ме-

значимые отличия наблюдались между станция-

тоды быстрого измерения кинетики индукции

ми «Тушино» и «Дзержинский» (рис. 3).

флуоресценции, характеризующие электронный

транспорт в ФС II и между фотосистемой II и фо-

Летний фитопланктон, обладающий более

тосистемой I [20]. Применение этого современ-

низкой фотосинтетической активностью по срав-

ного биофизического подхода позволило выявить

нению с весенним, показывал и меньшую устой-

изменения в функционировании световых стадий

чивость к действию HgCl₂. Различия в чувстви-

фотосинтеза у фитопланктона в поверхностном

слое на трех участках р. Москва, испытывающих

тельности летнего фитопланктона между станци-

различное влияние антропогенной нагрузки и

ями были статистически незначимы (рис. 3).

при воздействии ионов ртути в разные сезоны.

Максимальный квантовый выход фотохимии ФС

II (F_V/F_M) существенно снижался уже при кон-

Нами было показано, что в зимний период

первичные реакции ФС II имеют крайне низкую

центрации 0.1 мкмоль ⋅ л^-1 токсиканта. IC₅₀ для

активность. Возникновение благоприятных для

параметра F_V/F_M наблюдалась при

0.30-

фитопланктона условий в водоеме в весенний пе-

риод сопровождается повышением эффективно-

0.43 мкмоль ⋅ л^-1 на всех станциях.

сти функционирования ФС II и активизацией

У летного фитопланктона PI_ABS также оказал-

электрон-транспортных реакций, что, соответ-

ственно, вызывает значительное увеличение ко-

ся более чувствительным параметром по сравне-

личества клеток.

нию с F_V/F_M. Снижение на половину индекса

производительности ФС II наблюдали при кон-

Проведенный комплексный анализ парамет-

ров индукционных кривых флуоресценции хло-

центрации ртути 0.10-0.14 мкмоль ⋅ л^-1 для всех

рофилла свидетельствует, что у весеннего актив-

станций. Возможно, что повышение чувствитель-

ного фитопланктона происходит увеличение ос-

ности к ионам ртути у менее фотосинтетически

новных параметров

световых

реакций

активного летнего фитопланктона р. Москва свя-

фотосинтеза, таких как максимальный кванто-

зано с действием неблагоприятных факторов, та-

вый выход ФС II (F_V/F_M), эффективность транс-

ких как повышенная солнечная инсоляция на

порта электронов (φEo) и индекса производитель-

фоне повышенной температуры в летние дни.

ности ФС II (PI_ABS). Вместе с тем эти процессы

Усиление токсического воздействия на культурах

сопровождаются низким уровнем диссипации

водорослей солей тяжелых металлов при интен-

поглощенной энергии в тепло (φDo).

сивном освещении в условиях светового стресса

отмечалось ранее разными авторами [25-27]. На-

Ранее нами в 2009-2010 гг. было отмечено, что

ми также было показано существенное повыше-

изменения параметров флуоресценции фито-

ние чувствительности водорослей к действи со-

планктона на трех участках р. Москва наблюда-

лей ртути при повышенном освещении [17].

лись раньше интенсивного роста водорослей [3].

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ХЛОРОФИЛЛА ФИТОПЛАНКТОНА РЕКИ МОСКВА

923

Это закономерность появления активных клеток

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

фитопланктона с высоким уровнем F_V/F_M в пе-

Настоящая работа не содержит описания ка-

риод, предшествующий увеличению биомассы,

ких-либо исследований с использованием людей

подтвердилась и в 2017 г. Таким образом, появле-

и животных в качестве объектов.

ние благоприятных условий в водоеме после зим-

него периода сопровождается активацией реак-

ционных центров ФС II, в которых происходит

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

первичная конверсия света, и запуском элек-

Доклады о состоянии окружающей среды в городе

трон-транспортных реакций. Включение актив-

Москве за 2017 год. URL: https://www.mos.ru/up-

ных фотосинтетических процессов приводит к

load/documents/files/2931/Gosdoklad_last(1).pdf

стимуляции роста количества фитопланктона

Н. М. Попова, Санитарное состояние р. Москвы по

(например, весенние цветение в пресноводных

многолетним гидрохимическим данным (Изд-во ли-

водоемах) [8]. Это хорошо наблюдается и в мо-

тературы по строительству, М., 1972).

дельных экспериментах при пересеве голодной

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

азотдефицитной культуры микроводорослей на

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

среду, обогащенную азотом [19].

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

Чрезвычайно важным является изменение

(Princeton University Press, Princeton, 2013).

устойчивости природных популяций водорослей

N. Shchegolkova, K. Shurshin, S. Pogosyan, et al., Wa-

к действию загрязняющих веществ, таких как тя-

ter Science and Technology 77 (6), 69 (2018).

желые металлы в различные сезоны. Экспери-

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

менты по инкубации природного фитопланктона

и др., Переменная и замедленная флуоресценция хло-

в присутствии хлорида ртути выявили различия в

рофилла a - теоретические основы и практическое

устойчивости к токсическому воздействию у фи-

приложение в исследовании растений (Институт

топланктона с разных участков, а также большую

компьютерных исследований, М.-Ижевск, 2014).

чувствительность летнего фитопланктона по

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

сравнению с весенним. При этом обнаружено,

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

что наиболее чувствительным параметром индук-

Д. Н. Маторин, Н. П. Тимофеев, Д. А. Тодоренко

ции флуоресценции хлорофилла в этих токсико-

и др., Биофизика 65 (2), 331 (2020).

логических экспериментах является индекс про-

Ф. Ф. Протопопов, Д. Н. Маторин, Н. Х. Сейфул-

изводительности ФС II (PI_ABS).

лина и др., Микробиология 84 (6), 725 (2015).

Таким образом, описанный в настоящей рабо-

10.

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

те комплекс параметров индукционных кривых

Oceanologia 43 (3), 291 (2001).

флуоресценции хлорофилла позволяет проводить

11.

W. Brack and H. Frank, Ecotoxicology and Environ-

мониторинг изменений в энергозапасающих фо-

mental Safety 40 (1-2), 34 (1998).

тосинтетических процессах клеток фитопланкто-

12.

M. K. Joshi and P. Mohanty, in Chlorophyll a Fluores-

на в природных условиях и открывает возмож-

cence. A Signature of Photosynthesis, Ed. by G. C. Papa-

ность использования флуоресцентных методов

georgiou and Govindjee (Springer, Dordrecht, 2004),

для детекции и прогнозирования цветения водо-

pp. 637-661.

емов.

13.

K. S. Kumar, H. U. Dahms, J. S. Lee, et al., Ecotoxi-

cology and Environmental Safety 104, 51 (2014).

14.

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

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

tuarine, Coastal and Shelf. Science 218, 59 (2019).

15.

U. Schreiber, in Chlorophyll a fluorescence: A Signature

Исследование выполнено в рамках Програм-

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

мы развития Междисциплинарной научно-обра-

jee (Springer, Dordrecht, 2004), pp. 279-319.

зовательной школы Московского государствен-

16.

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

ного университета имени М.В. Ломоносова «Бу-

дика измерений обилия и индикации изменения со-

дущее планеты и глобальные изменения

стояния фитопланктона в природных водах флуо-

окружающей среды» при финансовой поддержке

ресцентным методом. Теоретические и практиче-

Российского фонда фундаментальных исследова-

ские аспекты (Альтрекс, М., 2012).

ний (грант №20-04-00465а) и Российского науч-

17.

Д. Н. Маторин, В. А. Осипов, Н. Х. Сейфуллина

ного фонда (грант №20-64-46018).

и др., Микробиология 78 (3), 362 (2009).

18.

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

Oceanologia 46 (4), 519 (2004).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

19.

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

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

филла высших растений и водорослей (ИКИ-РХД,

интересов.

М. - Ижевск, 2012).

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021

924

ПРОТОПОПОВ и др.

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

24. Д. Т. Габбасова, Д. Н. Маторин, И. В. Конюхов

in Chlorophyll a fluorescence: A Signature of Photosyn-

и др., Микробиология 86 (1), 62 (2017).

thesis, Ed. by G. Papageorgiou and Govindjee (Spring-

25. P. Janeau, D. Dewez, S. Matsui, et al., Chemosphere

er, Dordrecht, 2004), pp. 321-362.

45, 589 (2001).

21. Н. М. Щеголькова и Е. В. Венецианов, Охрана за-

грязненной реки: интенсификация самоочищения и

26. P. J. Ralph, R. A. Smith, C. M. O. Macinnis-Ng, et al.,

оптимизации водоотведения (РАСХН, М., 2011).

Toxicol. Environ. Chem. 89 (4), 589 (2007).

22. D. Lazar, Functional Plant Biol. 33, 9 (2006).

23. A. Stirbet, D. Lazar, J. Kromdijk, et al., Photosynthet-

27. D. V. Vavilin, V. A. Polynov, D. N. Matorin, et al., J.

ica 56 (1), 86 (2018).

Plant Physiol. 146, 609 (1995).

Fluorescence of Phytoplankton Chlorophyll from the Moskva River

in the Presence of Mercury Ions

F.F. Protopopov*, D.A. Todorenko**, I.N. Nikolaev*, A.A. Alekseev*,

L.B. Bratkovskaya**, and D.N. Matorin**

*Physico-Technical Institute, Ammosov North-Eastern Federal University, ul. Kulakovskogo 48, Yakutsk, 677013 Russia

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

This paper presents the results of the observational study carried out for monitoring three Moskva River sites

with different pollution levels by using chlorophyll fluorescence parameters. The photosynthetic activity of

phytoplankton along the river bed was diverse. The photochemical activity of the phytoplankton was higher

in the relatively clean water of the river (the river entrance to the city) and lower in the polluted water (middle

reaches of the river and out-of-city). The efficiency of the light reactions of photosynthesis in photosystem II

(F_V/F_M, PI_ABS) for the phytoplankton was higher in the spring than in summer months. These processes were

accompanied by a decrease in the dissipation of absorbed energy into heat (φDo). Incubation of the phyto-

plankton from the Moskva River in the presence of mercury chloride salts was performed. It was found that

addition of mercury chloride salts resulted in different sensitivity to the toxic effects of phytoplankton samples

collected from different sites on the river as well as the lower resistance of phytoplankton to mercury in sum-

mer season compared to spring. The most sensitive parameter to the toxic effects of mercury was the photo-

system II performance index (PI_ABS), which can be recommended for bioassay and biomonitoring the activ-

ity of photosynthetic reactions of phytoplankton in natural conditions.

Keywords: the Moskva River, mercury chloride, phytoplankton, chlorophyll fluorescence, photosynthesis, monitor-

ing of water pollution

БИОФИЗИКА том 66

№ 5

2021