東海原甲藻吸收光譜特性分析

周虹麗，朱建華，楊安安，簡偉軍，林少君

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津300112；2.深圳市海岸與大氣研究重點實驗室，廣東 深圳 518057）

東海原甲藻吸收光譜特性分析

周虹麗1，朱建華1，楊安安1，簡偉軍2，林少君2

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津300112；2.深圳市海岸與大氣研究重點實驗室，廣東 深圳 518057）

以東海原甲藻為研究對象，通過室內(nèi)和室外的一系列培養(yǎng)實驗，通過對不同生長時期其光吸收特性的變化和不同光強對其光吸收特性的影響進行研究，分析東海原甲藻光吸收特性研究及其爆發(fā)的可能機制。結(jié)果表明在培養(yǎng)的不同時期東海原甲藻光吸收特性差異明顯，在不同光強條件下，當(dāng)遮光率為77.7%時，最適于東海原甲藻生長。

東海原甲藻；吸收光譜；特性分析

東海原甲藻是近年來在我國長江口及其鄰近海域大規(guī)模爆發(fā)的赤潮藻種，嚴重破壞了海洋生態(tài)環(huán)境，威脅到長江口及其鄰近海域的漁業(yè)生產(chǎn)和水產(chǎn)食品的食用安全，引起了人們的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外的學(xué)者經(jīng)過多年的研究[1-7]，已收集和整理了大量有關(guān)東海原甲藻赤潮的海洋學(xué)、生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等方面的資料，并對赤潮的成因作了初步探討。

近年來，隨著遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，用遙感技術(shù)來監(jiān)測赤潮已成為赤潮監(jiān)測的重要手段。對于赤潮藻種的遙感光學(xué)應(yīng)用來說，研究赤潮藻種的固有光學(xué)特性是其中不可忽略的指標(biāo)，同時，它也是連接其生理、生態(tài)及應(yīng)用的中間環(huán)節(jié)。本項目以東海原甲藻為研究對象，通過室內(nèi)和室外一系列培養(yǎng)實驗，對東海原甲藻的吸收光譜特性進行分析。實驗表明，在培養(yǎng)的不同時期，東海原甲藻的光吸收圖譜特征差異明顯；在不同培養(yǎng)時期東海原甲藻對光的適應(yīng)性較強，其中在遮光率為77.7%的條件下最適于東海原甲藻生長。通過這些方面的研究，對東海原甲藻的生物光學(xué)特性、其赤潮消長的原因以及水色遙感的監(jiān)測等多方面的研究提供了重要的基礎(chǔ)資料。

1 吸收系數(shù)測量

1.1 樣品采集

本次實驗分為兩個階段進行，其中實驗1是在天津?qū)嶒炇覂?nèi)光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)東海原甲藻，共有4個樣品，培養(yǎng)條件為：f/2培養(yǎng)液，鹽度 28，L:D為12:12，光強 3 500～3 800 lx，溫度（18±1）℃。

實驗2是在天津露天水槽培養(yǎng)條件下進行東海原甲藻的固有光學(xué)特性測量，共有18個樣品，根據(jù)遮光率 （0%，20%，40%，60%，80%和100%）的不同分為6組，每組3個樣品。

將實驗1和實驗2的樣品直接采集到樣品瓶中，立刻在實驗室內(nèi)進行樣品的前處理和測量。

實驗設(shè)計見表1。

表1 實驗設(shè)計

1.2 實驗室測量

1.2.1 總顆粒物樣品吸收系數(shù)的測量[8]

將藻液過濾到直徑25 mm、孔徑0.7 μm的GF/F玻璃纖維濾紙上，得到總顆粒物的樣品濾紙。在數(shù)據(jù)處理中光程放大效應(yīng)校正采用Mitchell等（1990）的方法，并根據(jù)獲得的總顆粒物光學(xué)密度光譜特點和浮游植物在近紅外波段吸收可以忽略的假設(shè)，選取790～800 nm波段進行近紅外波段零值吸收的校正，最后計算得到總顆粒物吸收系數(shù)ap（λ）。

1.2.2 葉綠素a濃度的測量[8]

用直徑25 mm、孔徑0.7 μm的GF/F玻璃纖維濾紙，過濾得到浮游植物色素樣品，將樣品濾紙放入15 ml的離心分離管中，加入10 mL 90%的HPLC級丙酮溶液（V:V與超純水的體積比），將離心分離管置于超聲波震蕩器中，在冰浴中超聲波震蕩10 min，在0℃以下黑暗中提取色素24 h后，離心分離獲得色素提取液。將色素提取液放入熒光計中測量其未酸化和酸化后的響應(yīng)值Fb和Fa。利用式（1）計算葉綠素a的濃度(單位為 μgL-1)：

式中：[Chla]是葉綠素a的濃度；Blkb和Blka是未酸化和酸化后90%丙酮空白的熒光信號；τ是熒光計對葉綠素a的靈敏度；FR是儀器的響應(yīng)因子；VEXT是色素提取體積；VFILT是過濾的樣品體積。

1.2.3 總顆粒物比吸收系數(shù)的獲得[9]

利用總顆粒物吸收系數(shù)除以葉綠素a的濃度，計算總顆粒物比吸收系數(shù) a*p（λ）：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培養(yǎng)階段的光吸收特性變化

2.1.1 不同培養(yǎng)時期總顆粒物吸收光譜

根據(jù)藻類培養(yǎng)的時間和吸收光譜的不同，將培養(yǎng)時期分為前中后期（D_01～D_03為培養(yǎng)前期，D_04～D_11為培養(yǎng)中期，D_12～D_14為培養(yǎng)后期）。光譜曲線隨培養(yǎng)時間的不同呈現(xiàn)較為明顯的變化趨勢。從圖1可以看出，在培養(yǎng)前期，吸收系數(shù)值較小，同時在紫外部分的吸收峰不明顯，在440 nm的吸收峰也不明顯；在培養(yǎng)中期，藻類在紫外部分有明顯的吸收峰，同時在440 nm和675 nm處的兩個吸收峰特征顯著；到了培養(yǎng)后期，在量值上有所降低，即將進入下一個生長周期。

圖1 不同培養(yǎng)時期總顆粒物吸收系數(shù)

2.1.2 不同培養(yǎng)時期總顆粒物比吸收光譜

光譜曲線隨培養(yǎng)時間的不同呈現(xiàn)較為明顯的變化趨勢，由于受葉綠素a的影響，這種光譜的變化與吸收系數(shù)光譜變化有很大差別。從圖2可以看出：在培養(yǎng)前期，由于葉綠素a的濃度低，使得比吸收系數(shù)值較大；在培養(yǎng)中期隨著葉綠素a濃度的逐漸增大，在第4天到第11天，比吸收系數(shù)的值比較接近，光譜形狀趨于一致；在培養(yǎng)后期隨著葉綠素a濃度的逐漸減小，比吸收系數(shù)的值又開始增大。

圖2 不同培養(yǎng)時期總顆粒物比吸收系數(shù)

2.2 不同光照條件對光吸收特性的影響

2.2.1 不同培養(yǎng)時期不同光照條件下的光譜吸收

樣品sam_01～sam_06對應(yīng)的遮光率為別是：0%，13.4%，26.0%，60.0%，77.7%和100%。不同光照條件下東海原甲藻的光譜吸收如圖3所示，在培養(yǎng)的第2天不同光照條件下東海原甲藻的生長趨勢基本一致；在第6天，只有遮光率為100%的處理生長受到抑制，其余處理生長趨勢基本相同，其中遮光率為77.7%的處理長勢最好；在培養(yǎng)的第11天，不同光照條件下的樣品生長趨勢又趨于一致 （遮光率為100%的處理除外）。

圖3 不同光照條件下總顆粒物吸收系數(shù)

2.2.2 不同光照條件下440 nm和675 nm光吸收系數(shù)的變化趨勢

從不同光照條件下總顆粒物440 nm和675 nm吸收系數(shù)變化趨勢圖（圖4）中可以看出，在培養(yǎng)的0～67 h內(nèi)，遮光率為0%～77.7%的處理光譜曲線無明顯差異，之后遮光率為77.7%的處理吸收值最高，到235 h后，各個樣品的光譜曲線又逐漸趨于一致。而遮光率為100%的處理在培養(yǎng)的20 h后，生長受到抑制?？梢钥闯鲈谡诠饴蕿?7.7%的條件下最適于東海原甲藻生長。

圖4 不同光照條件下總顆粒物440 nm和675 nm吸收系數(shù)

3 結(jié)論

（1）培養(yǎng)前中后期，東海原甲藻的光吸收圖譜特征差異明顯；

（2）東海原甲藻對光的適應(yīng)性較強；遮光率為0%～77.7%的處理，0～67 h光譜曲線無明顯差異，之后遮光率為77.7%的處理吸收值最高，到235 h后，各個樣品的光譜曲線又逐漸趨于一致。其中在遮光率為77.7%的條件下最適于東海原甲藻生長。

（3）總顆粒物440 nm和675 nm光吸收系數(shù)與葉綠素a濃度的變化趨勢基本一致，675 nm的相關(guān)性更好。

這次實驗通過室內(nèi)和室外培養(yǎng)東海原甲藻，測量其光譜特征，由于藻種類型，自然條件，實驗條件等多方面的影響，只進行了單一藻種少量平行樣和短期內(nèi)的培養(yǎng)測量和分析，未能進行多個藻種長期的培養(yǎng)和觀測，建立赤潮藻類光譜庫，這仍需今后不斷補充和完善。

致謝：感謝東海原甲藻固有光學(xué)特性研究小組在試驗中付出的辛勤勞動。

[1]陸斗定，等.東海原甲藻修訂及與相關(guān)原甲藻的分類學(xué)比較[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003,14(7)∶1060-1064.

[2]徐景亮.東海原甲藻的N，P，F(xiàn)e，Mn營養(yǎng)生態(tài)位研究[M].廣州：暨南大學(xué)，2005.

[3]韓博平，等.藻類光合作用機理與模型[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4] 孫歲寒，段舜山.東海原甲藻的光周期效應(yīng)研究[J].生態(tài)環(huán)境，2006，15（3）：461-464.

[5]孫百曄，等.光照在東海近海東海原甲藻赤潮發(fā)生中的作用[J].環(huán)境科學(xué)，2008，39（2）：362-367.

[6]Douding Lu，et al.Morphological and genetic study of Prorocentrum donghaiense Lu from the East China Sea,and comparison with some related Prorocentrum species[J].Harmful Algae，2005,4:493-505.

[7]Matsuoka A,et al.Phytoplankton community adaptation to changing light levels in the southern Beaufort Sea,Canadian Arctic,Estuar Coast Shelf Sci(2009),doi:10.1016/j.ecss.2009.02.024

[8]Mitchell B G，Bricaud A，Carder K，et al.Ocean Optics Protocols for Satellite Ocean Color Sensor Validation[M].NASA/TM-2002:231-257，269-283.

[9]KOJI SUZUKI,et al.Chlorophyll-Specific Absorption Coefficients and Pigments of Phytoplankton off Sanriku,Northwestern North Pacific[J].Journal of Oceanography,1998，54：517-526.

Abstract：A series of indoor and outdoor cultivation experiments on Prorocentrum Donghaiense are studied.Through the research on their absorption spectra characteristics with different growth period and different light intensity,the possible mechanisms of their outbreak are discussed.The results show that the difference of absorption spectra characteristics in different period is obvious and it is most suitable for the growth of Prorocentrum Donghaiense when the shading rate is 77.7%.

Key words：Prorocentrum donghaiense Lu;absorb spectrum;analysis

Analysis of Prorocentrum Donghaiense Lu Absorb Spectral Characteristic

ZHOU Hong-li1,ZHU Jian-hua1,YANG An-an1,JIAN Wei-jun2,LIN Shao-jun2
（1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.Shenzhen Key Laboratory for Coastal and Atmospheric Research,Shenzhen Guangdong 518057,China）

TP722.4

A

1003-2029（2011）01-0065-04

2010-06-17

“973”資助項目——我國近海有害赤潮發(fā)生的生態(tài)學(xué)、海洋學(xué)機制及預(yù)測預(yù)防研究；國家自然科學(xué)基金資助項目（460606039）