Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы определения показателей экологического состояния акваторий 14
1.1. Показатели экологического состояния акваторий 14
1.2. Существующие методы оценки величины первичной продукции и биомассы фитопланктона 15
1.2.1. Методы оценки биомассы фитопланктона 15
1.2.2. Существующие методы оценки величины первичной продукции 23
1.2.2.1. Оценка величины первичной продукции на основании анализа проб воды 23
1.2.2.2. Оценка величины первичной продукции методом непрерывного зондирования 28
1.3. Общий подход к оптическим спектральным исследованиям биологических сред 30
1.3.1. Характерные особенности биологического объекта как предмета спектральных исследований 30
1.3.2. Методология проведения количественных спектральных исследований биологических объектов 33
1.3.3. Учет дискретности частицы взвеси 39
1.3.4. Метод получения спектра молекулы в среде 40
1.4. Постановка цели и задач исследования 43
ГЛАВА 2. Экспрессные методы оценки концентрации хлорофилла и первичной продукции в водной экосистеме 44
2.1. Влияние освещенности на соотношение между интенсивностью флуоресценции хлорофилла в фитопланктоне и его концентрацией 45
2.2. Оптическая модель клетки фитопланктона для описания влияния фотоадаптации на ее спектральные характеристики 52
2.3. Экспрессное безэкстракционное определение концентрации хлорофилла 59
2.4. Экспрессное определение первичной продукции 61
2.4.1. Экспрессное определение концентрации питательных веществ 63
2.4.2. Метод определения параметров слоя скачка плотности 65
Выводы 66
ГЛАВА 3. Исследовательская аппаратура и результаты определения гидрофизических характеристик, необходимых для использования разработанных методов 67
3.1. Аппаратура для проведения морских исследований - многоканальный погружаемый зонд 67
3.2. Экспериментальные данные о параметрах, необходимых для определения первичной продукции 69
3.2.1. Сезонные изменения освещенности в Черном море 69
3.2.2. Вертикальное распределение плотности и концентрации растворенных органических веществ в Черном море 71
3.2.3. Суточные и сезонные вариации концентрации хлорофилла в Черном море 74
3.2.4. Параметры клеток фитопланктона, использованные при исследовании Каспийского моря 76
3.2.5. Вертикальное распределение плотности и концентрации растворенных органических веществ Каспийского моря 79
3.2.6. Сезонные изменения освещенности Каспийского моря 85
Выводы 88
ГЛАВА 4. Результаты исследования экспрессных методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции 89
4.1. Экспрессное определение концентрации хлорофилла в Черном море 89
4.2. Результаты экспрессного определения величины первичной продукции в Черном море и сравнительный анализ с экспериментальными данными 96
4.3. Результаты экспрессного определения первичной продукции Каспийского моря сравнительный анализ с экспериментальными данными 102
4.4. Экспрессный метод определения экологического состояния акватории 105
Выводы 109
Заключение
Литература
- Существующие методы оценки величины первичной продукции
- Оптическая модель клетки фитопланктона для описания влияния фотоадаптации на ее спектральные характеристики
- Экспериментальные данные о параметрах, необходимых для определения первичной продукции
- Результаты экспрессного определения первичной продукции Каспийского моря сравнительный анализ с экспериментальными данными
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Роль фитопланктона (ФП) в функционировании биоценоза водной экосистемы огромна. Находясь на первом трофическом уровне, фитопланктон непосредственно или через промежуточные звенья пищевых цепей служит источником питания других организмов. Вследствие этого, фитопланктон является естественным биотестом и его характеристики используют при интегральной оценке физиологического состояния и гидробиологической производительности водных сред. К таким характеристикам относятся биомасса ФП и величина первичной продукции и их знание имеет важное значение для определения экологического состояния водных экосистем. С практической точки зрения наиболее важной представляется возможность экспрессно оценивать пространственно - временные соотношения концентрации хлорофилла и первичной продукции. Это позволяет получить полную пространственно - временную картину их абсолютных значений на основании данных, полученных в определенное время или в определенном районе.
В настоящее время известны различные методы, позволяющие оценить биомассу и первичную продукцию фитопланктона того или иного водоёма. Однако все они требуют длительного времени анализа проб воды, что является существенным недостатком, особенно при исследовании больших акваторий в полевых условиях. Низкая производительность исследований делает актуальной разработку экспрессных методов, позволяющих получать информацию о требуемых характеристиках в реальном масштабе времени проведения измерений без отбора проб и пробоподготовки.
Наиболее перспективным в этих целях представляется использовать явление флуоресценции хлорофилла в ФП. Интенсивность флуоресценции хлорофилла, в принципе, позволяет определить его концентрацию, на основании которой возможно рассчитать биомассу фитопланктона и первичную продукцию. Основная трудность, не позволявшая до настоящего времени реализовать экспрессные спектральные оптические методы определения концентрации хлорофилла и первичной продукции водных экосистем, заключалась в отсутствии методов, позволяющих учесть специфику биологических объектов, являющихся сложными гетерогенными конденсированными средами. Только в последнее время был разработан общий подход к оптическим спектральным исследованиям жидких биологических сред.
В связи с вышеизложенным, представляется актуальным разработать на основе этого подхода новые экспрессные методы определения концентрации фитопланктона и первичной продукции, исследование работоспособности методов и исследовать с их помощью характеристик полей распределения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях.
Целью диссертационной работы является разработка спектральных оптических методов экспрессной оценки характеристик экологического состояния акваторий.
Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы следующие задачи:
Анализ существующих методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акватории.
Разработка экспрессных спектральных оптических методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции акваторий.
Исследование разработанных методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях применительно к Черному и Каспийскому морям.
Объектом исследования являются разработанные методы, а также полученные с их помощью характеристики полей распределения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях Черного и Каспийского морей.
Предметом исследования является зависимость пространственно-временных характеристик полей концентрации хлорофилла и первичной продукции акваторий, определенных с помощью разработанных методов, от исходных параметров и сравнительный анализ полученных результатов с экспериментальными данными.
Методы исследования.
Теоретические разделы диссертации разработаны с применением методов спектрального оптического исследования биологических объектов, основанных на теории поляризации диэлектриков, учете эффекта дискретности частиц и модели взаимодействия светового излучения с клетками фитопланктона. Гидрологические характеристики исследуемых акваторий получены в результате экспериментальных исследований с использованием методов математической обработки экспериментальных данных
На защиту выносятся:
Спектральный оптический метод безэкстракционного определения концентрации хлорофилла в акватории.
Спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции акватории.
Результаты исследования разработанных экспрессных методов, а также полученные с их помощью характеристики полей распределения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях Черного и Каспийского морей.
Научная новизна работы заключается в разработке и использовании в проведенных исследованиях новых методов количественного определения первичной продукции и концентрации хлорофилла в клетках фитопланктона с применением современных способов получения количественных данных о клетках фитопланктона на основании флуоресценции клеточного хлорофилла. Наиболее важными новыми результатами работы являются:
Безэкстракционный флуориметрический метод определения концентрации хлорофилла.
Спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции в акватории.
Результаты исследования механизма формирования вертикальной стратификации интенсивности флуоресценции хлорофилла и причин ее суточной вариабельности.
Результаты исследования сезонного изменения величины первичной продукции в Черном и Каспийском морях.
Достоверность результатов обеспечена использованием при их получении надежных и проверенных теоретических представлений, экспериментальных методов и технологий; численными расчетами, проведенными на основании полученных соотношений; оценками величин и характера вытекающих из них зависимостей с использованием надежных экспериментальных данных; систематической проверкой полученных результатов с данными, заимствованными из литературных источников; сравнительным анализом результатов, полученных новыми и традиционными методами.
Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что предложенные методы позволяют проводить экспрессный мониторинг водоемов, что обеспечивающий более быстрое получение информации о таких важных параметрах для оценки экологического состояния водоемов, как величина первичной продукции и биомасса на первом трофическом уровне. Научное и практическое значение для экологии водных систем, океанологии и лимнологии имеют: - экспрессный флуориметрический метод определения концентрации хлорофилла; спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции в акватории; результаты исследования механизма формирования вертикальной стратификации интенсивности флуоресценции хлорофилла и причин ее суточной вариабельности; - результаты исследования сезонного изменения величины первичной продукции акваторий.
Внедрение результатов работы.
Результаты исследований, полученных в диссертационной работе, использовались при выполнении в 2001-2002 г. г. научно- исследовательской работы "Разработка экспрессного метода экологического мониторинга акваторий" номер гос. регистрации 01200109372, в ГБ НИР ФПБЭИ-2к за 2004 г., в НИР по гранту Миннауки РФ номер гос. регистрации № 75405 в 2005 г. и в Дагестанском филиале ФГУП «КаспНИРХ».
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на двадцать третьей научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ (Махачкала, 2001г.), на седьмой конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 2001г.), на восьмой международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 2002 г.), на пятой международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (Санкт-Петербург, 2002 г.), на всероссийском НТК «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» (Махачкала, 2003 г.), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ГЭТУ (Санкт-Петербург, 2000-2006 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них - 4 статьи и 5 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференциях, 1 статья находится в печати.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 156 наименований. Основная часть работы изложена на 93 страницах машинописного текста. Работа содержит 24 рисунка и 18 таблиц.'
Структура диссертации
В первой главе диссертации проведен обзор современных представлений о роли фитопланктона в продуктивности водоёмов, а также проведены систематизация и анализ основных, использующихся на практике, методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в водоемах. Отмечено, что основная трудность, не позволявшая до настоящего времени реализовать экспрессные спектральные оптические методы определения концентрации хлорофилла и первичной продукции водных экосистем заключалась в отсутствии методов, позволяющих учесть специфику биологических объектов, являющихся гетерогенными конденсированными средами. В последнее время был разработан общий подход к оптическим спектральным исследованиям жидких биологических сред. В связи с вышеизложенным представляется актуальным разработать на основе этого подхода новые экспрессные методы определения концентрации фитопланктона и первичной продукции, а также провести их исследование. В заключении главы сформулированы цель и основные задачи работы.
Во второй главе рассмотрена оптическая модель клетки фитопланктона, позволяющая учесть влияние на регистрируемую величину флуоресценции хлоропласта эффекта дискретности частиц фитопланктона, оптической плотности фотозащитных пигментов и квантового выхода флуоресценции при различных уровнях освещенности и концентрации биогенных элементов. На основании этой модели предложен способ экспрессной оценки концентрации клеточного хлорофилла, не требующий предварительного экстрагирования содержащихся в клетках пигментов, а также получено уравнение для расчета величины первичной продукции акватории с использованием результатов гидрофлуориметрических исследований и рассмотрены способы экспрессного дистанционного определения параметров, необходимых для расчета динамики изменения величины первичной продукции в морских акваториях.
В третьей главе описана исследовательская аппаратура и представлены результаты определения гидрофизических характеристик, необходимых для использования разработанных методов в черном море, а также Среднем и Южном районах Каспия.
Исходные данные в случае Черного моря были заимствованы из литературы. Вертикальные стратификации плотности воды и солнечная освещенность исследованных районов Каспийского моря определялись экспериментально.
Приведены результаты измерения зависимостей температуры и электропроводности морской воды Южного Каспия, а также западного и восточного районов Среднего Каспия в зависимости от глубины, на основании чего определено изменение плотности воды с глубиной с использованием океанографических таблиц. Зависимость освещенности от глубины в течение года оценивалась на основании усредненных экспериментальных данных о освещенности на поверхности воды и вертикального распределения показателя поглощения морской воды. Показатель поглощения определялся исходя из значений показателя ослабления и глубины, измеренных с помощью прозрачномера «Квант».
В четвёртой главе приведены результаты исследования экспрессных методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в Черном море и в различных районах Каспия. Показано, что результаты определения вертикального распределения концентрации хлорофилла в Черном море с использованием разработанного метода и экстракционного метода Джеффри-Хамфри дают аналогичные результаты в пределах погрешности 30...40%. Экспрессный безэкстракционный метод также был использован для объяснения суточной зависимости интенсивности флуоресценции фитопланктона. Показано, что с помощью предложенного метода удается объяснить ранее не находившее объяснение значительное (в несколько раз) изменение интенсивности флуоресценции хлорофилла фитопланктона в течение суток. Проведён сравнительный анализ результатов экспериментального определения первичной продукции Черного и Каспийского морей с литературными данными. Установлено, экспериментально полученное изменение первичной продукции Черного моря в течение года вполне удовлетворительно описывается в рамках предложенного метода. Установлено, что с использованием предложенного метода удается описать основные закономерности изменения величины первичной продукции в Каспийском море.. Кроме того, находит объяснение соотношение величин первичной продукции в исследованных регионах - в западной и восточной частях Среднего Каспия и Южного Каспия. Сделан вывод о том, что основной причиной этих различий являются особенности гидрологических характеристик районов - вертикальные стратификации плотности воды и питательных веществ.
В целом, полученные результаты свидетельствуют о работоспособности предложенных методов экспрессного определения экологических характеристик акваторий.
На основании результатов исследования предложена биотехническая система (БТС) оценки экологического состояния акваторий с использованием данных о концентрации хлорофилла и первичной продукции.
Далее следуют заключение, содержащее основные выводы по работе и список цитированной литературы.
Существующие методы оценки величины первичной продукции
Важнейшим направлением современных биогидрохимических исследований в связи с проблемой загрязнения водной среды является разработка корректных расчетных методов, прогноза изменения биопродуктивности водной среды на основе имеющейся информации о характеристиках среды обитания.
Почти все измерения фотосинтеза в природных водоемах базируются на определении продукции и потребления кислорода планктоном в воде, заключенной в светлых и темных склянках. Этот косвенный метод получил название скляночного метода и был впервые применен для измерения интенсивности фотосинтеза морского фитопланктона Пюттером.
Сущность метода заключается в подвешивании небольших склянок (обычно парами или тройками), содержащих воду с водорослями, на различной глубине в эвфотическом слое или в инкубаторе на борту судна, где для освещения используется солнечный или искусственный свет, и в измерении через определенный промежуток времени (обычно через 24 часа) образования и потребления кислорода в них методом Винклера. Разница в содержании кислорода в светлых и затемненных склянках после суточной экспозиции показывает величину фотосинтеза ФП. Критерием интенсивности фотосинтеза может служить не только изменение содержания кислорода в светлых и затемненных склянках, но и изменение прироста органического углерода, содержание углекислоты, электропроводности воды, изменения содержания биогенных элементов [25]. Однако кислородный метод отличается наибольшей чувствительностью, большей надежностью и поэтому он получил более широкое применение.
Во многих малопродуктивных природных водах, особенно океанических, скорости фотосинтеза на единицу объема слишком малы для точных определений, если при этом не применяются экспозиции продолжительностью 12 часов и более. Так как таких длительных экспозиций лучше избегать, то для преодоления этой трудности подходит наиболее чувствительная для определения первичной продукции, радиоуглеродная модификация скляночного метода [26, 34] с 3-4 часовой экспозицией.
Принцип определения первичной продукции радиоуглеродным методом основан на допущении, согласно которому внесенный в склянки меченный углерод (обычно в виде №2,4СОз ) включается в процессы фотосинтеза органического вещества с той же скоростью , что и не меченный изотоп углерода 14С. Полученная радиоуглеродным методом оценка ПП не может быть безоговорочно отнесена ни к валовой, ни к чистой продукции. Однако установлено, что при краткосрочных экспозициях склянок (2-4 часа) радиоуглеродный метод дает значения продукции, близкие к валовой, а при длительных (12-24 часа) - близкие к чистой. Следует отметить, что экспозиция склянок в течение суток приемлема только в умеренных и холодных водах при очень низких уровнях фотосинтеза, в тропических и продуктивных водах экспозиция проб не должна превышать 6—10 часов. Определения первичной продукции радиоуглеродным методом осуществляется по стандартной схеме: отбор проб, добавление изотопа, экспозиция, фильтрация и определение радиоактивности фильтров. В последние годы разработаны и внедрены в практику работ электрохимические методы определения кислорода в воде для оценки 1111 на основе погружаемых датчиков. Однако повсеместное внедрения этих приборов в практику работ еще не произошло из-за высокой стоимости систем и отсутствия серийного выпуска отечественной аппаратуры.
При определении первичной продукции кислородным методом пробы [37] отбирались в калиброванные светлые склянки объемом 0,35 л, изготовленные из прозрачного пластика с гидрофобной поверхностью, и экспонировались затем в экспериментальных бассейнах в условиях, близких к «in situ» по освещенности и температуре. Для создания освещенности около 1 % поверхностный бассейн затенялся синей тканью разной плотности. Экспозиция проб составляла 3-7 ч. Пробы отбирались и экспонировались только в дневное время (6-19 ч). Определение кислорода проводилось по методу Винклера с использованием автоматической бюретки Дженконса (Великобритания). Точность метода составляла ±0.01 мл/л. Для определения ПП с одного горизонта отбиралось три пробы: одна для определения исходного количества кислорода и две для постановки параллельных экспериментов. Как правило, параллельные титрования кислорода (после экспозиции в экспериментальном бассейне) давали хорошую сходимость: расхождения не превышали 0,01-0,02 мл Ог/л.
Для перехода от часовой ПП к суточной использовались коэффициенты, экспериментально полученные Сорокиным [35] для разных периодов светового дня. С 6 до 19 час значения этих коэффициентов изменялись от 14 до-19.
Оптическая модель клетки фитопланктона для описания влияния фотоадаптации на ее спектральные характеристики
Ранее [66, 67] предпринимались попытки описать экспериментальные зависимости интенсивности флуоресценции І ІЕ) и оптической плотностью слоя клеток фитопланктона De{E) только изменением концентрации хлорофилла в клетках фитопланктона. Однако, в [67] экспериментально отмечена относительно малая изменчивость 1 {Е) ПО сравнению с De(E), тогда как теория [66] предсказывает противоположное соотношение между этими зависимостями. В связи с этим в [67] высказывались предположения о возможном влиянии на спектры дополнительных факторов. Поэтому были предложены новые модельные представления о спектральных проявлениях фотоадаптации клетки фитопланктона. В отличие от [66] в них учтено изменение концентрации клеточных фотозащитных пигментов и использован новый метод учета реабсорбции излучения хлоропластом, изложенный в [68, 69]. При этом клетка ФП представлена в виде сферы, внутри которой находится хлоропласт, а внешний слой образуют фотозащитные пигменты, и рассмотрим клетку фитопланктона на основании модели, представленной на рис. 2.1.
Такая модель позволяет рассмотреть основные факторы спектральных проявлений фотоадаптации - изменения внутриклеточной концентрации молекул хлорофилла и их квантового выхода флуоресценции, а также изменение оптической плотности фотозащитных пигментов.
Причем последние ослабляют падающее на хлоропласт излучение в expD раз, где D — оптическая плотность слоя фотозащитных пигментов, а ослабление света клеткой в спектре поглощения определяется величиной ехр2 .
Оптическая модель клетки фитопланктона: 1- внутриклеточная среда, 2- слой фотозащитных пигментов с оптической плотностью D, R - радиус клетки. С учетом этого оптическое пропускание Т взвеси клеток фитопланктона в прозрачном растворителе при концентрациях, когда их самозатенением можно пренебречь [68, 69], определяется формулой: T = l-[\-e-2D(\-Qaj]ps/S , (2.1) где: Qa - фактор эффективности поглощения света частицей, N - число частиц взвеси; s - площадь сечения клетки; S — площадь сечения кюветы, перпендикулярного падающему излучению. Причем величина Qa для однородной сферической частицы определяется параметром p = dk, где d -диаметр частицы, а к-ее показатель поглощения; При [1 — є (1 — Qa )yVs/S в (2.1) пропусканию Т соответствует оптическая плотность взвеси DB: DB = 1 - [і - e 2D (1 - Qa )}fs/S . (2.2) Аппроксимируем хлоропласт сферой радиуса R. Тогда из выражения (2.2) для показателя поглощения кюветы со взвесью, нормированного на концентрацию хлорофилла в кювете С = vc N/V (где v - объем хлоропласта, V - объем кюветы, с — концентрация хлорофилла в клетке), получим: м4-« (1-&)М4Аъ)- С2-3)
Из формулы (2.3) имеем выражение, определяющее изменение оптической плотности фотозащитных пигментов на длине ВОЛНЫ Kph\ и Kphh при изменении Е от уровня «1» до «/»: К /к [i-exP(-2AXi-a,)km K""/K"w-[i-exP(-2AXi-a,)b- (2-4)
Запишем выражение для интенсивности флуоресценции хлорофилла в клетках с учетом оптической плотности фотозащитных пигментов D{XX) на длине волны возбуждения Aj, имея ввиду, что для оптической плотности на длине волны флуоресценции &2 выполняется условие /)(/ ) « D{XX): Iph Лв ехр[- D(XX yQNs/S, (2.5) где Q- фактор эффективности флуоресценции частицы. Для однородной сферической частицы он зависит от параметров p j =dk{ и i = \,...,m, где кхи к2 показатели поглощения частицы на частотах возбуждения и флуоресценции соответственно.
Из (2.5) следует выражение для нормированной на величину С интенсивности флуоресценции сферических клеток радиуса R: Iph Лв ехр[- (А, Ув/ІЯсп). (2.6)
Для определения соотношения между величинами Iphx и Ipfji при переходе от состояния «/» к состоянию «1» с разными освещенностями (2.6) имеем: W = ехР[" А(4)+АЙ)]-б(/)СхпіЛв/(2(,)Схл/Л.і). (2.7) На основании формул (2.4) и (2.7) соотношение между интенсивностями спектров флуоресценции и поглощения примет вид: 1ры = крнв% [ехр(Д,)-ехр(-Д,Х1-6о1)] 1ры к Ч, [exp(A)-exp(-D,.Xl-a,.)]- (Z8) На основании формул (2.4), (2.8) получим зависимость величин Q, D и тв от внешней освещенности is, к которой адаптирован фитопланктон. Для этого используем экспериментальные данные о показателе поглощения Kphi и интенсивности флуоресценции Ipfji фитопланктона (приведенные к единице его концентрации), полученные для различных видов морского ФП, клетки которого адаптировались к стационарным освещенностям, лежащим в диапазоне их суточных изменений.
Экспериментальные данные о параметрах, необходимых для определения первичной продукции
В морских исследованиях для определения гидрологических характеристик использовался многоканальный гидрофизический зонд в режиме вертикального зондирования или на выбранном горизонте до глубины 1000 м. с дрейфующего судна.
Устройство и работа зонда.
Зонд состоит из забортной части и бортовой информационно-вычислительной системы (ИВС), соединенных кабель-тросовой линией связи.
В состав забортной части входят: центральный модуль; измерительные преобразователи температуры, сопротивления и давления; пять измерительных модулей (в пяти вариантах); пять кабель-вводов; ограждение; электропривод; кабель-трос; измерительные каналы температуры, удельного сопротивления, давления; блок преобразования и передачи информации; флуориметрический измерительный канал.
В состав бортовой информационно-вычислительной системы входят: приемник информации, обрабатывающая ЭВМ, программное обеспечение, графопостроитель.
Зондирование водной среды осуществляется с помощью лебедки, установленной на борту исследовательского судна и кабель-троса типа КОБТ-3, соединяющего забортную часть комплекса с бортовой ИВС. Электрические сигналы в аналоговом виде с выходов измерительных каналов поступают в центральный модуль, где с помощью канального коммутатора последовательно подаются на аналога-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговый сигнал в 12 - разрядный двоичный код. Затем этот код с помощь передатчика преобразуется в код «Манчестер-2» и последовательно подается в бортовую систему по жиле кабель-троса. Питание забортной части осуществляется с помощью бортового блока питания +30В в режиме токовой петли по оплетке коаксиальной жилы и броне кабель-троса.
В бортовой ИВС приемник декодирует полученную информацию по отдельным измерительным каналам, преобразует коды в аналоговые сигналы для регистрации их на многоканальном самописце и обеспечивает ввод их в бортовую ЭВМ. ИВС масштабирует, принятые коды и с учетом градировочных коэффициентов измерительных каналов рассчитывает в реальном масштабе времени ряд вторичных параметров (соленость, плотность и т.д.), отображает их оператору и записывает на магнитном носителе. Бортовая ИВС работает синхронно с забортной частью при погружении зонда в режиме экспресс -обработки данных.
При окончании цикла подъем-опускание забортного блока можно выполнять дополнительную обработку данных, построение профилей и другие операции. Корпус забортного блока выполнен из титана.
Основные технические характеристики зонда: 1. Глубина зондирования не более, м - 1000 2. Скорость зондирования, м/с -1(2) 3. Дискретность отсчетов по глубине, м - 0.05(0.1) 4. Инструментальная составляющая абсолютной погрешности измерения температуры, С - 0.05 5. Диапазон измерения температур, С - 5-КЗО 6. Диапазон измерения значений удельной электрической проводимости (УЭП), см/м - 0.5- 6.0 7. Инструментальная составляющая относительной погрешности измерения УЭП, % - 0. 8. Погрешность измерения давлений, не более, % - 0.1 9. Масса забортного блока, кг - 18
Для измерения показателя поглощения воды использовался прозрачномер «Квант-2». Морские исследования проводились с участием диссертанта в Каспийском море. Данные по Черному морю были заимствованы из литературы.
Экспериментальные значения плотности потока солнечной радиации на поверхности воды Ес определялись с помощью люксметра. Зависимости ЕС{Н) оценивались на основании усредненных экспериментальных данных о Ес на поверхности воды и вертикального распределения показателя поглощения морской воды к. Зависимость подводной освещенности от глубины подчинялась экспоненциальному закону ЕС(Н) = Ес0ехр(-кН).
Показатель поглощения определялся исходя из значений показателя ослабления и рассеяния, измеренных с помощью прозрачномера «Квант-2».
Исследование экспрессного метода определения вертикального распределения концентрации хлорофилла в фитопланктоне с глубиной проводилось на основании данных, полученных в октябре месяце в ясную солнечную погоду. В октябре месяце величина EcQ в солнечную погоду в 1200 равнялась, 600 \\Einm s , а показатель поглощения - А: =0,05 м ".
Для экспрессного определения сезонного изменения величины первичной продукции были необходимы данные о сезонном изменении освещенности Ес0. Эти данные в восточной части Черного моря, использованные при расчетах приведены на рисунке 3.1.
Результаты экспрессного определения первичной продукции Каспийского моря сравнительный анализ с экспериментальными данными
Годовая изменчивость первичной продукции в восточной и западной частях Среднего Каспия имеет аналогичный характер, причем восточной части Среднего Каспия величина первичной продукции значительно (в 6-7 раз) меньше, чем в западной. Однако наблюдается общая закономерность увеличения первичной продукции при переходе от зимы к осени. При сравнении изменения первичной продукции по сезонам видно, что более 50% всей продукции за год синтезируется в летнее- осенний период.
Качественно аналогичная зависимость наблюдается в Южном Каспии. Значения средней величины первичной продукции фитопланктона Южного Каспия в различные времена года приведена в таблице 4.6.
Данные о соотношении первичных продукций в эвфотическом слое Среднего и Южного Каспия в различные сезоны 2002 г., определенные на основании формулы (4.1) и исходных данных из главы 3 приведены в таблицах 4.7 и 4.8. соответственно.
Из данных, приведенных в таблицах 4.7, 4.8 видно, что на основании соотношения (4.1) с точностью 40..50% удается описать основные закономерности изменения величины первичной продукции в Каспийском море. В частности, в пределах одного региона теоретическая и экспериментальные зависимости имеют одинаковую сезонную зависимость, а именно, наблюдается заметный рост первичной продукции в летне-осенний период по сравнению с зимне-весенним. Из анализа полученных данных вытекает, что основной вклад в эту зависимость вносят среднесуточная солнечная освещенность, за счет изменения которой в несколько раз изменяется величина эффективности поглощения частицы фитопланктона и характеристики сезонного слоя скачка плотности воды. Кроме того, в рамках предложенного метода находит объяснение соотношение величин первичной продукции в исследованных регионах - в западной и восточной частях Среднего Каспия и Южного Каспия. Основной причиной этих различий, согласно проведенных расчетов являются особенности гидрологических характеристик районов - вертикальные стратификации плотности воды и питательных веществ.
Таким образом, резюмируя полученные результаты можно сделать вывод о работоспособности предложенных методов экспрессного определения экологических характеристик акваторий.
На основании результатов, полученных в главах 2, 3, разработана биотехническая система (БТС), позволяющая с использованием компьютерного моделирования на основании флуориметрических данных проводить оценку и давать прогноз качества водной экосистемы [151]. Для оценки состояния экосистемы на основании данных флуориметрических наблюдений использована функция состояния биотической составляющей экосистемы Т(у,/) в момент времени t, зависящая от параметров фактического состояния у, определяемых экспериментально, в том числе неинвазивными флуориметрическими экспресс - методами. Основными показателями фактического состояния i\(y,f) являются количество биомассы Qc на первом трофическом уровне (или концентрация хлорофилла С ), продуктивность 106 dQJdt и соотношение концентраций растворенного органического вещества (РОВ) Сорг и С . Параметрами состояния у,- являются величины, определяемые флуориметрически (интенсивности флуоресценции РОВ / и хлорофилла /ju,), биофизические параметры - текущая и осредненная по времени освещенности, таксонометрический состав фитопланктона и ряд других (см. Главы 2, 3). Для интегральной характеристики системы целесообразно использовать обобщённую функцию состояния T\(t) = YjKiJ\(yi t) гДе /" весовой коэффициент. Функцию r\(t) с учетом внешних воздействий q можно представить в виде r\(q,t). Для количественного определения допустимого воздействия qa необходимо знать начальное состояние экосистемы - осредненное фоновое. Тогда критерий допустимости воздействия qa вытекает из условия отклонения от среднего (нормального) состояния величины r\(t) не превышающего в среднем естественных фоновых флуктуации (без нарушения экосистемы).
Таким образом, превышение значений задаваемых допустимым уровнем м( д) свидетельствует о необходимости принятия мер по регулированию качества среды. Кроме того, равновесной системе, находящейся в гомеостазе, соответствует постоянное для неизменных гидрофизических характеристик соотношение между концентрацией в фотической зоне биомассы фитопланктона (и связанной с ней величиной С ) и концентрацией РОВ, характеризуемой их интенсивностью флуоресценции /. Изменение соотношения между величинами С и I свидетельствует о нарушении равновесного состояния системы и притоке загрязняющих веществ. Причем анализ динамики этого соотношения позволяет получить дополнительную информацию о природе загрязняющего вещества. Так, если отмечается неравновесный рост / при неизменном См, то загрязняющим веществом является флуоресцирующая органика. При возвращении с течением времени соотношения CJI к исходному стационарному значению с более высокой С , эта органика имеет биогенный характер. Если наблюдается рост С при неизменном значении/, с последующим восстановлением соотношения CJI на более высоких уровнях Cw и /, то внешнее воздействие на экосистему заключается в повышении концентрации лимитирующего фотосинтез нефлуоресцирующего биогенного элемента.
