автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Спектральные оптические методы экспрессной оценки характеристик экологического состояния акваторий

На правах рукописи

Магомедов Махач Давудович

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЭКСПРЕССНОЙ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЮТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Сидоренко В. М. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Алёшин И. В. кандидат технических наук Дятлов А. Г.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (ЛИТМО, Санкт-Петербургский государственный технический университет точной механики и оптики).

Защита состоится май 2006 г. в 10. 00 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376 Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " апреля 2ш г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Юлдашев З.М.

¿5ЪЗ>

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

рос. национальна*

библиотека

Целью диссертационной работы является разработка спектральных оптических методов экспрессной оценки характеристик экологического состояния акваторий.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы следующие задачи:

1. Анализ существующих методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акватории.

2. Разработка экспрессных спектральных оптических методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции акваторий.

3. Исследование разработанных методов и полученных с их помощью характеристик полей распределения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акваториях Черного и Каспийского морей. 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:

1. Спектральный оптический метод безэкстракционного определения концентрации хлорофилла в акватории.

2. Спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции акватории.

3. 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:

1. Безэкстракционный флуориметрический метод определения концентрации хлорофилла.

2. Спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции в акватории.

3. Результаты исследования механизма формирования вертикальной стратификации интенсивности флуоресценции хлорофилла и причин ее суточной вариабельности.

4. Результаты исследования сезонного изменения величины первичной продукции в Черном и Каспийском морях.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что предложенные методы позволяют проводить экспрессный мониторинг водоемов, 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.

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.

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, 20002006 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель и сформулированы задачи исследований, приведены научные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость результатов, приводится краткое содержание работы по главам.

В первой главе диссертации проведен обзор современных представлений о роли фитопланктона в продуктивности водоёмов (морей, озёр и рек), а также проведены систематизация и анализ основных, использующихся на практике, методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в водоемах. Результаты проведенных раннее исследований показывают, что коэффициент пропорциональности интенсивности флуоресценции клеточного хлорофилла и его концентрации, определенного стандартными методами в ацетоновом экстракте, меняется до пяти раз.

Согласно результатам анализа различных факторов, влияющих на точность определения концентраций хлорофилла, основной вклад в погрешность вносит подводная освещенность. Четырехкратное изменение интенсивности флуоресценции по отношению к концентрации хлорофилла в водорослях различного таксонометрического состава получено при исследовании Черного моря и других водоемов. Суммарная погрешность при определении концентрации хлорофилла «in situ» может достигать сотен и даже тысяч процентов. Эта погрешность, как правило, не удовлетворяет требованиям экологического мониторинга и заставляет использовать

методики, требующие экстрагирования хлорофилла в органических растворителях. Что касается первичной продукции в водной среде, то в настоящее время гидробиология не располагает безупречной методикой ее измерения.

В системе допущений, принятых для расчета различных видов продукции, есть много неточностей, свидетельствующих о наличии трудностей, связанных с объективной сложностью природных экосистем. Вследствие этого, получаемые оценки продукции следует считать приближенными и даже ориентировочными, а существующие методики весьма трудоемкими.

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. Он позволяет учесть спектральные проявления эффекта дискретности входящих в его состав неоднородностей и влияние межмолекулярных взаимодействий. Природная вода, в состав которой входят частицы фитопланктона, представляет собой частный случай жидкой биологической среды.

В связи с вышеизложенным представляется актуальным разработать на основе этого подхода новые экспрессные методы определения концентрации фитопланктона и первичной продукции в водных средах, 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 т|в при различных уровнях освещенности Е. При этом

клетка фитопланктона представлена в виде сферы, внутри которой находится хлоропласт, а внешний слой образуют фотозащитные пигменты.

На основании этой модели были получены обобщенные зависимости величин показателя поглощения хлорофилла, £> и т]в от внешней

освещенности Е, к которой адаптирован фитопланктон. Для этого использовались экспериментальные данные о показателе поглощения и интенсивности флуоресценции /вхл клеток фитопланктона (приведенные к единице концентрации хлорофилла), полученные для различных видов морского фитопланктона, адаптированного к стационарным освещенностям, лежащим в диапазоне их суточных изменений.

Установлено, что при увеличении освещенности в этом диапазоне происходит увеличение фактора эффективности флуоресценции хлоропласта Q'{E) в 2,5 раза, колоколообразное изменение квантового выхода флуоресценции, достигающее максимума (=1,8 раз) при среднем уровне освещенности, и линейное увеличение D до 0,4.

Полученные результаты были использованы для разработки метода количественной оценки концентрации хлорофилла в природных водах на основании флуориметрических измерений с помощью погружаемой и дистанционной аппаратуры в условиях различной освещенности. Получено соотношение между интенсивностями флуоресценции хлорофилла в клетке и его экстракта в виде:

'■»Л» = Лв/ЛрQ* ехр[--0]®огн» 0)

где rjp и т)в — соответственно квантовые выходы флуоресценции хлорофилла в растворе и в хлоропласте клетки фитопланктона; Q* = 3Q/(2p{), где Q - фактор эффективности флуоресценции частицы фитопланктона, являющийся для однородной сферы радиуса R функцией параметров р{ = 1гкх и р'2 =2гк2 и к2 - показатели поглощения вещества частицы соответственно на частотах возбуждения и флуоресценции); D — оптическая плотность фотозащитных пигментов; ©^ - отношение величин факторов, определенных согласно выражению:

0 = «23и,ад. (2)

„ («12+2)2 „ (и| + 2)2 . .

дл = ——; о7 - ——, а индексы 1 и 2 относятся соответственно к 9«1 9и|

частотам возбуждения и излучения флуоресценции, применительно к экстрагенту хлорофилла и хлоропласту.

На основании (1) было определено соотношение между Схл.ат(^)=Схл/Схл(#0) и 1<™{Н)=Ш{Н0), где Я0 - фиксированный горизонт:

Г ^)-/отн(я)ехр[р(Я0)-Р(Я)1пв(Я0)б*(Яо) .

с™^;- Лв(я)е*(я) ()

Соотношение (3) позволяет определить вертикальную стратификацию концентрации хлорофилла относительно выбранного горизонта, в частности

от поверхности воды при известной зависимости подводной освещенности от глубины.

Выражения (1-3) дают возможность с использованием обобщенных зависимостей характеристик В и г|в от освещенности Е определять

пространственное распределение концентрации хлорофилла в клетках фитопланктона без использования предварительного его экстрагирования.

На основании этой же оптической модели клетки фитопланктона предложен метод расчета величины первичной продукции акватории, исходя из соотношения:

(4)

где: Т1с - квантовый выход фотосинтеза; Ес- поток солнечного излучения; интенсивность флуоресценции хлорофилла; —

оптическая плотность фотозащитных пигментов в клетке на длине волны Х1; Qa— фактор эффективности поглощения частицы; М- число клеток; 5— площадь сечения клетки.

На основании (4) получено соотношение между величинами первичной продукции в случаях «1» и «2», которое может быть использовано в тех случаях, когда известен таксонометрический состав фитопланктона:

Шс1Л)\ . /1__Г5ч

{¿<2с !<Ь\ т?с2 Ъ*п<2апехр(-£>Я2)Ес2 ' а

где суммирование ведется по видам клеток фитопланктона «г».

Для решения практических задач желательно иметь способ определения величины с ——, не привлекая информацию о

таксонометрии фитопланктона на основании данных об интенсивности флуоресценции хлорофилла в фитопланктоне .

Выражение для интенсивности флуоресценции клеточного хлорофилла в рамках использованной модели фотоадаптации клетки фитопланктона имеет вид:

/хл=у/0Лвехр[-1)(А1)]еМ) (6)

где: у — коэффициент пропорциональности; т] — квантовый выход флуоресценции хлорофилла, содержащегося в хлоропласте клетки; /0 -интенсивность возбуждения флуоресценции; - фактор эффективности флуоресценции частицы.

При условии линейной зависимости квантового выхода фотосинтеза т|с от концентрации питательных веществ См, на основании (5) и (6) получено соотношение между сравниваемыми интегральными по глубине Н величинами первичной продукции [(¿<2С /^]инт, определенными исходя из значений имеет вид:

_ {/хл(яК,(я) ст{н)ш

[<*Ос'<Ь\„кг ЫН)ЕС2(Н) Ст(Н)с1Н

Дня экспрессного дистанционного определения соотношения концентраций биогенных элементов СЛг1(Я)/СЛг2(Я), входящего в (7), можно использовать результаты, полученные при непосредственном измерении интенсивности флуоресценции растворенного органического вещества (РОВ) /(Я) ввиду выполнения соотношения СЛГ1(Я)/СЛГ2(Я)«/1(Я)//2(Я), обусловленного корреляцией между СК(Н) и /(Я). Недостатком его является относительно низкая точность измерения абсолютных значений /(Я).

Поэтому предложен другой способ определения СИ1{Н)/СЫ2(Н), основанный на рассмотрении вертикального переноса биогенов из более насыщенных ими глубинных слоев через слой скачка плотности в фотическую зону. Для этого случая получено выражение:

[¿дс/л]1шп \1^{н)ЕсХ{н)ан яГпих2

\1^{Н)Есг{Н)Ш ЯГтах1 ¿рх с1СМ2'

где: ЯГтах - глубина залегания слоя скачка плотности с величиной с1р, а Л7у(Я) - различие концентрации биогенных элементов на верхней и нижней его границах.

Таким образом, разработаны теоретические основы для экспрессной оценки концентрации клеточного хлорофилла, не требующие предварительного экстрагирования содержащихся в клетках пигментов и экспрессного определения величины первичной продукции акватории на основании данных гидрофлуориметрических исследований.

Выражения (3), (5), (8) позволяют экспрессно оценивать пространственно - временные соотношения концентраций хлорофилла и

первичной продукции. Это дает возможность получить полную пространственно - временную картину их абсолютных значений на основании результатов ограниченного числа измерений.

В третьей главе описана исследовательская аппаратура и представлены результаты определения гидрофизических характеристик Черного моря (в районе мыса Пицунда), а также запада (на разрезах г. Махачкала-м. Сагындык) и востока (п. Дивичи - м. Кендерли) Среднего Каспия и района Южного Каспия (о. Куринский камень - о. Огурчинский), необходимых для использования разработанных методов.

В морских исследованиях для определения гидрологических характеристик Каспийского моря использовался многоканальный гидрофизический зонд в режиме вертикального зондирования или на выбранном горизонте до глубины 1000 м. с дрейфующего судна.

Основные технические характеристики зонда:

1. Глубина зондирования не более, м -1000

2. Скорость зондирования, м/с -1(2)

3. Дискретность отчетов по глубине, м -0.05(0.1)

4. Инструментальная составляющая абсолютной

погрешности измерения температуры, °С -0.05

5. Диапазон измерения температур, "С — 5—30

6. Диапазон измерения значений удельной

электрической проводимости (УЭП), см/м - 0.5-6.0

7. Инструментальная составляющая относительной

погрешности измерения УЭП, % -0.5

8. Погрешность измерения давлений, не более, % -0.1

9. Масса забортного блока, кг -18

На основании полученных гидрологических характеристик рассчитывались вертикальные зависимости плотности воды с использованием океанографических таблиц. Для измерения показателя поглощения воды использовался прозрачномер «Квант-2».

Солнечная освещенность исследованных районов Каспийского моря определялась экспериментально с помощью люксметра "Уо1сгаА ОТ-8820". Экспериментальные исследования в Каспийском море проводились с участием диссертанта. Исходные данные в случае Черного моря были заимствованы из литературы.

Зависимость освещенности от глубины в течение года оценивалась на основании усредненных экспериментальных данных об освещенности на поверхности воды и вертикального распределения показателя поглощения морской воды.

В табл. 1 и 2 приведены основные гидрологические характеристики исследованных районов Каспия.

Таблица 1.

Характеристики сезонного слоя скачка плотности йр1, Я, и значения йСн1 в восточном и западном районах Среднего Каспия в 2002 г.

Западный район Восточный район

Сезон ф, X 10* г см"3 мкг л"' м Сезон ф,х Ю'л г см'3 мкг л"1 м

Зима 0.45 3.0 100 Зима 0.5 3.0 100

Весна 0.9 4.5 80 Весна 1.0 5.0 70

Лето 4.0 6.0 40 Лето 4.0 8.0 30

Осень 2.5 3.5 60 Осень 2.0 4.0 60

Таблица 2.

Характеристики сезонного слоя скачка плотности //,, и значения ¿Сн; в Южном Каспии в 2002 г.

Сезон ф, х 10"3 Жн,

г см"3. мкг л"1. м

Зима 0.4 5.0 80

Весна 1.0 6.0 60

Лето 3.5 7.0 30

Осень 2.0 6.0 50

В табл. 3 приведены рассчитанные на основании исходных данных о биомассе и численности фитопланктона в Каспии, полученных КаспНИРХом в августе 2002, значения факторов эффективности поглощения и флуоресценции частиц фитопланктона.

Таблица 3.

Факторы эффективности поглощения и флуоресценции частиц фитопланктона в Каспийском море.

Водоросли р; Р2 в а* ва £

Синезеленые 0.22 0.1 0.05 0.7 0.14 0.95

±0.02 ±0.01 ±0.01 ±0.01 ±0.01 ±0.03

Диатомовые 0.5 0.22 0.16 0.65 0.29 0.83

±0.05 ±0.02 ±0.02 ±0.01 ±0.01 ±0.03

Пирофитовые 0.44 ±0.02 0.2 ±0.02 0.15 ±0.02 0.68 ±0.01 0.25 ±0.01 0.85 ±0.02

Зеленые 0.12 0.05 0.03 0.7 0.08 1.0

±0.01 ±0.005 ±0.01 ±0.01 ±0.01 ±0.01

В четвёртой главе приведены результаты исследования разработанных 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%.. На рис. 1 приведены

распределения по глубине концентрации хлорофилла Сш, полученные • разными методами, и интенсивности флуоресценции /„(#) в Черном море.

Критерий подобия Колмогорова Я,ээ вертикальных распределений СХЛ(Я), полученных с использованием экстракционного экспрессного методов равнялся 0,835. Полученный результат показывает согласование распределений на уровне значимости р = 10%. Это указывает на высокую степень подобия полученных распределений. В то же время зависимости /В(Я) и сщ, (я) согласуются при уровне значимости - 40%.

Рис.1 Распределение по глубине концентрации хлорофилла Сад и интенсивности флуоресценции /в(#) в Черном море в ^""..Лб00:

1 - /в(#); 2 - теоретическое распределение см (Н); х-экспериментальные значения Схл(я), определенные экстракционным методом.

Экспрессный безэкстракционный метод также был использован для выяснения причин суточной зависимости интенсивности флуоресценции фитопланктона. Показано, что с помощью предложенного метода удается объяснить раннее не находившее объяснение значительное (интегрального по глубине - на 30%, а на верхних горизонтах - в несколько раз) изменение интенсивности флуоресценции хлорофилла фитопланктона в течение суток. Действительно, если это изменение объяснять вариациями биомассы фитопланктона, то требуется слишком большое потребление кислорода и питательных веществ.

Согласно полученным данным, наблюдаемое изменение интенсивности флуоресценции клеточного хлорофилла в основном связано не с изменением его концентрации в воде, а с изменением эффективности флуоресценции хлоропластов в процессе фотоадаптации. При этом интегральное по глубине значение концентрации клеточного хлорофилла за сутки меняется примерно на 10%.

Таким образом, полученные на основе предложенной оптической модели клетки фитопланктона результаты открывают возможности для количественной оценки концентрации хлорофилла в природных водах на основании флуориметрических измерений с помощью погружаемой и дистанционной аппаратуры в условиях различной освещенности.

Проведён сравнительный анализ результатов экспериментального определения первичной продукции Черного и Каспийского морей и предложенным методом. Установлено, экспериментально Полученное изменение первичной продукции Черного моря в течение года вполне удовлетворительно описывается с помощью модели, связывающей величину первичной продукции с флуориметрическими данными и гидрофизическими параметрами (5), причем, согласно теоретическим и экспериментальным данным, максимум первичной продукции приходится на февраль - март и она меняется в течение года в пределах 4 раз (для Черного моря). Характерно, что интенсивность флюоресценции хлорофилла при этом изменяется менее чем в 3 раза (см. рис. 2).

Обращает внимание также то, что удается описать отличие несколько раз относительных значений С^ (#) и (1()с IЛ в октябре-ноябре.

Установлено, что с использованием предложенного метода удается описать основные закономерности изменения величины первичной продукции в Каспийском море. В частности, в пределах одного региона теоретические и экспериментальные зависимости имеют одинаковую сезонную зависимость, а именно, наблюдается заметный рост первичной продукции в летне-осенний период по сравнению с зимне-весенним (см. табл. 4 и 5).

£©с/(*[отн.ед]

Рис 2. Сезонная зависимость первичной продукции и интенсивность флуоресценции хлорофилла в восточной части Черного моря.

1 - усредненные экспериментальные данные;

2 - теоретические данные полученные, на основании (5);

3 - интенсивность флуоресценции хлорофилла в фитопланктоне.

Из анализа полученных данных вытекает, что основной вклад в эту зависимость вносит 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. Как следует из проведенных расчетов, основной причиной этих различий являются особенности гидрологических характеристик районов -вертикальные стратификации плотности воды и питательных биогенных веществ.

Полученные результаты свидетельствуют о работоспособности предложенных методов экспрессного определения экологических характеристик акваторий.

Таблица 4

Изменение средней величины первичной продукции фитопланктона Среднего Каспия в различные времена года, рассчитанное по (4).

Первичная продукция, отн. ед.

Сезон восток запад

эксперимент расчет эксперимент расчет

зима 1.0 1.0 1.0 1.0

весна 1.3 1.2 7.3 4.0

лето 3.4 3.0 9.1 6.5

осень 8.0 5.0 6.4 5.0

Таблица 5

Изменение средней величины первичной продукции фитопланктона Южного Каспия в различные времена года, рассчитанное по (4).

Первичная продукция, отн. ед.

Сезон эксперимент расчет

зима 1.0 1.0

весна 1.3 1.3

лето 3.4 2.4

осень 8.0 5.5

На основании результатов предложена биотехническая система (БТС) для оценки текущего экологического состояния водной экосистемы и выдачи прогноза на будущее. Для оценки состояния экосистемы на основании данных флуориметрических наблюдений использована функция состояния биотической составляющей экосистемы Т|(у,7) в момент времени где у -параметры фактического состояния, определяемые экспериментально. Основными показателями фактического состояния т)(7>0 являются количество биомассы ()с на первом трофическом уровне (или концентрация хлорофилла продуктивность с1()с/Ж и соотношение концентраций

растворенного органического вещества (РОВ) Сорг и С^. Параметрами

состояния являются величины, определяемые флуориметрически (интенсивности флуоресценции растворенного органического вещества и хлорофилла), биофизические параметры - текущие и осредненные по времени освещенности, таксонометрический состав фитопланктона и ряд других.

Приведена структура БТС управления качеством окружающей среды. Она может быть использована при разработке аппаратуры, предназначенной для дистанционного экспрессного мониторинга водных экосистем.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан безэкстракционный флуориметрическуий метод определения концентрации хлорофилла, учитывающий 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.

2. Показано, что результаты определения концентрации хлорофилла в Черном море с использованием разработанного безэкстракционного флуориметрического метода и экстракционного метода Джеффри-Хамфри согласуются в пределах погрешности 10%.

3. Показано, что с помощью предложенного метода удается объяснить фотоадаптацией клеток ранее не поддававшееся интерпретации значительное изменение (интегральное по глубине я на 30%, а на верхних горизонтах - в несколько раз) интенсивности флуоресценции хлорофилла фитопланктона в течение суток.

4. Разработан спектральный оптический метод определения первичной продукции в акватории с погрешностью.

5. Проведено исследование сезонной изменчивочти первичной продукции акваторий Черного моря и различных районов Каспийского моря с использованием разработанного метода. Показано, что с его помощью удается описать и объяснить наблюдаемые экспериментальные закономерности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Магомедов, М. Д. Дистанционный флуориметрический мониторинг нефтяных загрязнений на водной поверхности / В. М. Сидоренко, М. Д. Магомедов, П. Г. Огнева // Записки Горного института, т. 149, С-Петербург, 2001, с. 117-120.

2. Магомедов, М. Д. Оценка состояния и управление качеством водной экосистемы после нефтяного загрязнения / В. М. Сидоренко, М. Д. Магомедов // Петербургский журнал электроники, С-Петербург, 2002, №4, с. 58-61.

3. Магомедов, М. Д. Определение первичной продукции акваторий на основании флуориметрических данных / В. М Сидоренко, М. Д. Магомедов // Материалы V международной конференции по мягким вычислениям и измерениям, 2002, С-Петербург, Гидрометеоиздат, т.1, с. 150-153.

4. Магомедов, М. Д. Оценка состояния и управление качеством водной экосистемы, подвергшейся нефтяному загрязнению, на основании гидрофлуориметрических данных / В. М. Сидоренко, М. Д. Магомедов // Сборник Биотехнические системы в медицине и биологии, 2002,. С-Петербург, Политехника, с. 147-150.

5. Магомедов М. Д., Сидоренко В. М., Огнева П. Г. Компьютерная система для обучения студентов методу определения экологического состояния акваторий на основании флуориметрических данных / В. М. Сидоренко, М. Д. Магомедов, П. Г. Огнева / Материалы VII конференции Современные технологии обучения СПбГЭТУ, С-Петербург, ч.1,2001, с. 172-173.

6. Магомедов, М. Д. Обучения студентов методу интегральной оценки качества водной экосистемы на основании данных флуориметрического мониторинга / В. М. Сидоренко, М. Д. Магомедов // Материалы VIII международной конференции Современные технологии обучения СПбГЭТУ, С-Петербург, т.2, 2002, с.329-330.

7. Магомедов М. Д. Исследование собственной флуоресценции биологических сред с помощью флуориметрии / Д. А. Магомедов, М. Д. Магомедов // Материалы XXIII научно-технической конференции ДГТУ, Махачкала, РИО ДГТУ, 2001, с. 129.

8. Магомедов, М. Д. Об одном методе спектрального анализа биологических растворов / М. Д. Магомедов, С. Н. Султанмагомедов // Всероссийская научно-техническая конференция Биотехнические и медицинские аппараты и системы. Махачкала, ИПЦ, ДГТУ, 2003, с. 146.

9. Магомедов, М. Д. Интегральная оценка качества водной экосистемы на основании данных флуориметрического мониторинга / В. М. Сидоренко, М. Д. Магомедов // Материалы научно-практической конференции Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий, С-Петербург, 2004, с. 52-53.

Подписано в печать 17.04.06. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 21.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

2006 fr %SS3

85 63

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ.

1.1. Показатели экологического состояния акваторий.

1.2. Существующие методы оценки величины первичной продукции и биомассы фитопланктона.

1.2.1. Методы оценки биомассы фитопланктона.

1.2.2. Существующие методы оценки величины первичной продукции.

1.2.2.1. Оценка величины первичной продукции на основании анализа проб воды.

1.2.2.2. Оценка величины первичной продукции методом непрерывного зондирования.

1.3. Общий подход к оптическим спектральным исследованиям биологических сред.

1.3.1. Характерные особенности биологического объекта как предмета спектральных исследований.

1.3.2. Методология проведения количественных спектральных исследований биологических объектов.

1.3.3. Учет дискретности частицы взвеси.

1.3.4. Метод получения спектра молекулы в среде.

1.4. Постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПРЕССНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА И ПЕРВИЧНОЙ ПРОДУКЦИИ В ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ.

2.1. Влияние освещенности на соотношение между интенсивностью флуоресценции хлорофилла в фитопланктоне и его концентрацией.

2.2. Оптическая модель клетки фитопланктона для описания влияния фотоадаптации на ее спектральные характеристики.

2.3. Экспрессное безэкстракционное определение концентрации хлорофилла.

2.4. Экспрессное определение первичной продукции.

2.4.1. Экспрессное определение концентрации питательных веществ.

2.4.2. Метод определения параметров слоя скачка плотности.

Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ АППАРАТУРА И РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ.

3.1. Аппаратура для проведения морских исследований

- многоканальный погружаемый зонд.

3.2. Экспериментальные данные о параметрах, необходимых для определения первичной продукции.

3.2.1. Сезонные изменения освещенности в Черном море.

3.2.2. Вертикальное распределение плотности и концентрации растворенных органических веществ в Черном море.

3.2.3. Суточные и сезонные вариации концентрации хлорофилла в Черном море.

3.2.4. Параметры клеток фитопланктона, использованные при исследовании Каспийского моря.

3.2.5. Вертикальное распределение плотности и концентрации растворенных органических веществ Каспийского моря.

3.2.6. Сезонные изменения освещенности Каспийского моря.

Выводы.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПРЕССНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

ХЛОРОФИЛЛА И ПЕРВИЧНОЙ ПРОДУКЦИИ.

4.1. Экспрессное определение концентрации хлорофилла в Черном море.

4.2. Результаты экспрессного определения величины первичной продукции в Черном море и сравнительный анализ с экспериментальными данными.

4.3. Результаты экспрессного определения первичной продукции Каспийского моря сравнительный анализ с экспериментальными данными.

4.4. Экспрессный метод определения экологического состояния акватории.

Выводы.

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:

1. Анализ существующих методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции в акватории.

2. Разработка экспрессных спектральных оптических методов определения концентрации хлорофилла и первичной продукции акваторий.

3. 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:

1. Спектральный оптический метод безэкстракционного определения концентрации хлорофилла в акватории.

2. Спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции акватории.

3. 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:

1. Безэкстракционный флуориметрический метод определения концентрации хлорофилла.

2. Спектральный оптический метод экспрессного определения первичной продукции в акватории.

3. Результаты исследования механизма формирования вертикальной стратификации интенсивности флуоресценции хлорофилла и причин ее суточной вариабельности.

4. 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.'

Основные результаты и общие выводы:

1. Разработан безэкстракционный флуориметрическуий метод определения концентрации хлорофилла, учитывающий 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.

2. Показано, что результаты определения концентрации хлорофилла в Черном море с использованием разработанного безэкстракционного флуориметрического метода и экстракционного метода Джеффри-Хамфри согласуются в пределах погрешности 10%.

3. Показано, что с помощью предложенного метода удается объяснить фотоадаптацией клеток ранее не поддававшееся интерпретации значительное изменение (интегральное по глубине ~ на 30%, а на верхних горизонтах - в несколько раз) интенсивности флуоресценции хлорофилла фитопланктона в течение суток.

4. Разработан спектральный оптический метод определения первичной продукции в акватории с погрешностью.

5. Проведено исследование сезонной изменчивочти первичной продукции акваторий Черного моря и различных районов Каспийского моря с использованием разработанного метода. Показано, что с его помощью удается описать и объяснить наблюдаемые экспериментальные закономерности.

Ill

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Воронихин Н. Н. О содержании понятия "планктон" // Советская ботаника, 1940, N2, с. 100-102.

2. Скабичевский А. П. Об объёме понятия "планктон" и "планктонный организм" // Советская ботаника, 1939, N4, с. 23-33.

3. Киселёв И. А. Планктон морей и континентальных водоёмов. Т.1. Ленинград: Наука, 1969.-658 с.

4. Barthelmes D. Zur Abgrenzung des Planktons von den Nachbarbiocoenosen // Z. Fisheries, 1957, 6, s. 441-452.

5. Богоров В. Г. Планктон мирового океана. Москва: Наука, 1974.-320 с.

6. Раймонт Дж. Э. Дж. Планктон и продуктивность океана: Т.1. Фитопланктон. Москва: Лёгкая и пищевая промышленность, 1983.-568 с.

7. Эрхард Ж. П., Сежен Ж. Планктон. Состав, экология, загрязнение. Пер. с фр. Л., Гидрометиоиздат, 1984 г, 256 с.

8. Кульский А. А. и др. Фитопланктон и вода. Киев, Наукова думка, 1986. 168 с.

9. Гиляров М. С. Биологический энциклопедический словарь. Москва: Советская Энциклопедия, 1986 год, с. 476.

10. Сладкопевцев С. А. Основы экологии. Уч. пос. М. 1992.

11. Винберг Г. Г. Продуктивность и охрана морских и пресных водоёмов. Москва: Наука, 1989.-135 с.

12. Винберг Г. Г. Продукционно-биологические исследования экосистем пресных вод. Минск: Изд-во БГУ, 1973.-207 с.

13. Фёдоров В. Д. О методах изучения фитопланктона и его активности. Москва: Изд-во Московского университета, 1979.- 167 с.

14. Кузнецов А. Л. Фитопланктон. Контроль Экологической ситуации в районе опытно-промышленной плантации водорослей в губе Дальнезеленецкая. Апатиты, 1988.- 50 с.

15. Годнев Т. Н. Строение хлорофилла и методы его количественного определения. Минск: Изд-во АН БССР, 1952.- 164 с.

16. SCOR-UNESCO. Report of SCOR-UNESCO working group 17 on determination of photosynthetic pigments in sea water. Paris: UNESCO, 1966. p. 918. (UNESCO Monogr. Oceanogr. Methodoi.; Vol. 1)

17. Зуев Г. В., Овчаров О. П. Продуктивность экваториальной Атлантики. Киев: Наукова думка, 1990.-225 с.

18. Ковалевский А. О. Первичная и вторичная продукция морских организмов. Киев: Наукова думка, 1982.-195 с.

19. Павловский Е. Н. Жизнь пресных вод СССР. Москва-Ленинград: Изд-во АН СССР, 1957.-470 с.

20. Кобленц-Мишке О. И., Ведерников В. И. Первичная продукция // Океанология. Биология океана. Т. 2. Биологическая продукция океана. М.: Наука, 1977. с. 183-209.

21. Яшнов В. А. Новая модель волюмометра для быстрого и точного определения объёма планктона в экспедиционных условиях // Зоологический журнал, 1959, XXXVIII, 11, с. 1741-1743.

22. Константинов А. С. Общая гидробиология. Москва: Высшая школа, 1986.- 469 с.

23. Бардан С. И., Дружков Н. В., Бобров Ю. А. Комплексный экологический мониторинг в губе Дальнезеленецкая (Баренцево море): Зимне-Весенний период 1987-1988 гг., Апатиты, 1989.- 41с.

24. Винберг Г. Г. Первичная продукция водоёмов. Минск: Изд-во АН СССР, I960.- 329 с.

25. Методическое пособие по определению органического вещества в водоёмах радиоуглеродным методом. Минск: Изд-во БГУ, 1960, 27 с.

26. Jeffrey S. W., Humphrey G. F. New spectrophotometric equations for determining chlorophylls a, b, Ci and c2 in higher plants algae and natural phytoplankton // Biochem. und Physiol. Pflanz. 1975. bd. 167, N 2. S. 191-194.

27. Маторин Д. H., Вавилин Д. В., Конев Ю. М., и др. Изучение корреляции интенсивности флуоресценции, измеряемой импульсным флуориметром с концентрацией пигментов у микроводорослей // Весгн. МГУ. 1997. Сер. Биология. № 1. с. 25-28.

28. Захарков С. П., Материн Д. Н., Васильев И. Р. и др. Использование метода замедленной флуоресценции для изучения распределения фитопланктона в океане // Биологические науки, 1985, N2, с. 100.

29. Беляев Б. И., Ковалёв А. А. и др. Оптические методы дистанционной диагностики эвтрофирования озера Лукомского. Минск: Изд-во БГУ, 1994.- 57 с.

30. Галазий Г. И. Оптические методы изучения океанов и внутренних водоёмов. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1979.- 372 с.

31. Карабашев Г. С. Флуоресценция в океане. JL: Гидрометиоиздат,1987 г.

32. Межерис Р. М. Лазерное дистанционное зондирование. Москва: Мир, 1987. с. 550.

33. Сорокин Ю. И. О методе определения первичной продукции в море с применением ,4С //Тр. Всес. гидробиол. общества. 1960. Т. 10. с. 235-254.

34. Сорокин Ю. И. Первичная продукция фотосинтеза в Черном море // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1964. - №5. с. 749 - 757.

35. Кондратьев К. Я. Комплексный дистанционный мониторинг озёр. Ленинград: Наука, 1987. с. 288.

36. Сапожников В. В., Горюнова В. Б., Левенко Б. А., Дулов Л. Е., Антал Т. К., Маторин Д. Н. Сравнительное исследование первичной продукции в

37. Норвежском море разными методами // Океанология. 2000. Т 40 №2. с. 316323.

38. Леонов А. В., Сапожников В. В. Анализ динамики концентраций органогенных веществ и скоростей продукционно-деструкционных процессов в водах северной части Каспийского моря // Океанология. 2000. Т 40 №1. с. 3751.

39. Сорокин Ю. И. Черное море. М.: Наука, 1982. - 216 с.

40. Экологический мониторинг. Методы биоманиторинга. В двух частях. Часть 1.: Уч. пособие. Под. Ред. Проф. Гелашвили Д. Б. Н. Новгород.: Издательство ННГУ, 1995 195 с.

41. Дружинин Н. И., Шишкин А. И. Математическое моделирование и прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши. Л.: Гидрометиоиздат, 1989 390 с.

42. Ведерников В. И., Гагарин В. И., Буренков В. И. Особенности распределения первичной продукции и хлорофилла в Печерском море в августе-сентябре 1998 г. // Океанология. 2001. т. 41. № 1. с. 69-79 .

43. Незлин Н. П. Необычное цветение Черного моря в 1998-1999гг. (Анализ спутниковых данных) // Океанология. 2001. 3. с. 394 399.

44. Востоков С. В., Ведерников В. И. О связи между взвешенным органическим веществом и первичной продукцией в море // Океанология. 1987. Т. 27. №3. с. 489-496.

45. Кондратьева Т. М. Первичная продукция фитопланктона В Черном море // Комплексные исследования Черного моря. Севастополь: МГИ НАНУ. 1979. с. 151 - 161.

46. Винберг Г. Г., Муравлева Е. П., Финенко 3. 3. Некоторые данные по содержанию хлорофилла в планктоне и первичной продукции Черного моря // Труды Севастопольской биологической станции АНСССР, 1962, 17. с. 212 -220.

47. Методы изучения мембран растительных клеток: Учеб. пособие // Под ред. Полевого В. В., Максимова Г. Б., Синютиной Н. Ф.- Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986, с. 142-151.

48. Сидоренко В. М. Молекулярная спектроскопия биологических сред.- М: Высшая школа, 2004.- 191с.

49. Юденфренд С. Флуоресцентный анализ в биологии и медицине.- М.: Мир, 1965.

50. Молекулярная биология клетки: В 3 т. Т 1/ Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис и др.-М.: Мир, 1994.

51. Медицинская биофизика // Под ред. В. О. Самойлова. Л.: BMA, 1985.

52. Люминесцентный анализ в гастроэнтерологии.- Л.: Наука, 1984.

53. Попечителев Е. П. Методы медико-биологических исследований. Системные аспекты. Житомир: ЖИГИ, 1997.

54. Сидоренко В. М. Оптические спектральные методы исследования биологических объектов: Учебное пособие / СПбГЭТУ (ЛЭТИ). СПб., 1998. с.80

55. Сидько Ф. Я. Лапатин В. Н. Введение в оптику взвесей клеток. Новосибирск: Наука, 1988.

56. Сидоренко В. М. Механизм влияния фотоадаптации на спектральные характеристики клеток фитопланктона // Материалы международнойконференции по мягким измерениям и вычислениям. SCM-2000. Сб. докл. -СПб, 2000, т.2, с. 127-130.

57. Акимов А. И., Стельмах JL В., Чурилова Т. Я., Финенко 3. 3. Адаптация морского фитопланктона к свету // Океанология. 1992. т 32 № 1. с. 84 91.

58. Фадеев В. В. и др. Анализ состава водных сред методом флуоресценции и комбинационного рассеяния света. М.: Наука, 1979. с. 87-98.

59. Ильюшенок А. В., Кнюкшто В. И., и др. Исследование вертикального распределения интенсивности люминесценции хлорофилла фитопланктона и ее взаимосвязи с концентрацией хлорофилла // Тез. X Пленума «Оптика океана». Л.: 1988. 149 с.

60. Marra J. Diurnal variability in chlorophyll fluorescence: Observation and modeling. Proceeding SPIE. 1992. V.1750. -p.233-244.

61. Cullen J. J. The deep chlorophyll maximum comparing vertical profiles of chlorophyll «a»// Canadian journal fish aquat. sci., 1982. v. 39 p. 791-803.

62. Cullen J. J., Yench С. M., Cucci T. L., Macintyre H. L. Out fluorescence and other optical properties as tools in biological oceanography// Proceedings SPIE. 1988. v. 926. p. 149-156.

63. Bans K., Spinrad R.W. Low power high resolution in situ fluorimeter for profiling and moored applications in water//Proc. SPIE. 1988. V. 925. P. 157-170.

64. Collins D. J., Kiefer D. A., Soo-Hoo J. В., Mc. Dermid J. S. The role of reassertion of the spectral distribution of phytoplankton fluorescence emission // Deep-sea research, 1985, v.32, N8, p.983-1003.

65. Mitchell B. G., Kiefer D. A. Chlorophyll «а» specific absorption and fluorescence excitation spectra for light-limited phytoplankton // Deep-sea research, 1988, v.35, p.p.639-663.

66. Сидоренко В. M. Влияние дискретности частиц на интенсивность обратного сигнала флуоресценции фитопланктона в воде //Изв. РАН, сер. физ. атм. и океана, 1998, т.34, N1, с.59-62.

67. Сидоренко В. М., Пакконен С. А. Изменение интенсивности флуоресценции воды при переходе органического вещества из взвеси в раствор //Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана,1995, т.31, N5, с.731-734.

68. Сидоренко В. М., Магомедов М. Д. Определение первичной продукции акваторий на основании флуориметрических данных // Материалы V международной конференции по мягким вычислениям и измерениям, 2002, СПб, Гидрометеоиздат, т. 1, с. 150-153.

69. Ведерников В. И., Демидов А. Б. Первичная продукция и хлорофилл в глубоководных районах черного моря // Океанология. 1993. т. 33 №2, с 229-235.

70. Chekolyuk А. М., Gjrbunov М. Yu. Dial variability of in vivo chlorophyll fluorescence in near surface water layer // Proceeding SPIE 1994 v. 2258, p. 140151.

71. Крупаткина Д. К., Берсенева Г. П. Первичная продукция и хлорофилл "а" Черного моря в осенне-зимнее период. // Океанология 1994. т. 34 №6, с 850-854.

72. Falkovski P. G., Kifer D. A. Chlorophyll a fluorescence in phytoplankton: relationship to photosynthesis and biomass // Journal of plankton research, 1985, v.7, p. 715-731.

73. Kifer D. A. Chlorophyll a fluorescence in marine centric diatoms: Responses of chloroplasts to light and nutrient stress // Marine biology, 1973, v. 23, p.l 19-120.

74. Kifer D. A. Mitchell B. G. A simple, steady state description of phytoplankton growth based on absorption cross-section and quantum efficiency // Limnology and о ceanology 1983, v. 28, №4, p. 770-776.

75. Kiefer L. J. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: The basics // Annu. Rev. Plant Physiol. 1983. V. 42. P. 313-349.

76. Lande R. et al. Phytoplankton growth rates estimated from depth profiles of cell concentration and turbulent diffusion // Deep sea research 1989, v. 35, №8, p. 1141-1158.

77. Chemberlin W. S. et al. Evidence for a simple relationship between natural fluorescence, photosynthesis and chlorophyll in the sea //Deep sea research 1990, v. 37 №6A p.951-973.

78. Kolber Z. S., Falkowski P. G. US6121053: Multiple protocol fluorometer and method. Appl. Number: US 1997000988269. Issued/Filed Dates: Sept. 19, 2000 / Dec. 10, 1997

79. Красовский Э. И., Пакконен С. А., Сидоренко В. М. Использование флуориметрического лидара для оптических измерений в океане // Океанология 1993. т. 33 №2, с. 450-451.

80. Красовский Э. И., Лактионов И. И., Сидоренко В. М. Патент на изобретение RU 2014587 С1: Способ определения глубины залегания слоя скачка плотности морской воды.

81. Карабашев Г. С. О возможности объективной типизации вертикальных профилей флуоресценции РОВ в деятельном слое океана // Океанология. 1999 т 39 №5. с. 733-740.

82. Карабашев Г. С., Соловьев А. Н. Усовершенствование импульсного флуориметра ИПФ-70 // Оптические исследования в океане и в атмосфере над океаном. М.: Изд. ИО АН СССР, 1975. с. 89-94.

83. Карабашев Г. С. О концентрационной зависимости флуоресценции хлорофилла в водах океана разной трофности // Океанология. 1998. т. 38 №3. с. 381-386.

84. Карабашев Г. С., Соловьев А. Н. Суточный ритм флуоресценции хлорофилла фитопланктона в деятельном слое океана // Океанология. 1976. т. 16 №2. с. 316-323.

85. Антал Т. К., Венедиктов П. С., Конев Ю. Н. и др. Определение вертикального профиля фотосинтеза фитопланктона флуоресцентным методом // Океанология. 1999. Т. 39. № 2. с. 314-320.

86. Веретенников В. В. Влияние микроструктурных параметров дисперсной взвеси на характеристики многократного рассеяния при лидарном зондирования моря. // Оптика атмосферы и океана. 2002. т. 15., №12. с. 11241130.

87. Кривенко О. В, Лукьянова А. И. Потребление минерального азота микропланктоном Черного моря в связи с гидрохимическими условиями./Юкеанология. 1994. т. 34 №2. с. 3 12.

88. Пархоменко А. С. Количественная оценка потребления фосфатов микропланктоном в Черном море в зимний период // Экология моря. 2000. -№5. с. 14 19.

89. Акимов А. И., Стельмах Л. В., Чурилова Т. Я., Финенко 3. 3. Адаптация морского фитопланктона к свету // Океанология. 1992. т. 32 №1. с. 84 91.

90. Финенко 3. 3., Крупаткина Д. К. Первичная продукция в Черном море в зимне-весенний период // Океанология. 1993. т.ЗЗ №1. с. 97 104.

91. Финенко 3. 3., Чурилова Т. Я., Бастюрк О., Сосик X. М. Изменчивость фотосинтетических параметров фитопланктона в поверхностном слое Черного моря // Океанология. 2002. т. 42. №1, с. 60-75.

92. Лактионов А. И., Сидоренко В. М., Эмдин В. С. Новые данные о флуоресценции РОВ фотической зоны вод Черного моря. //2 Международная конференция «Современные проблемы оптики естественных вод ONW'2003»: труды конференции Санкт-Петербург, 2003. с. 302-306.

93. Третьяков В. Ю. Мониторинг трофности водных экосистем. Мониторинг.-1995 №4 с. 26-27.

94. Гуральник Д. Л., Кассациер К. Е., Гусев А. В. Судовой природоохранительный комплекс и его роль в контроле, за экологическим состоянием акваторий. Мониторинг. -1995 №4 с. 28-29.

95. Чурилова Т. Я. Поглощение света фитопланктоном и детритом в Черном море в весенний период. // Океанология. 2001г. т. 41. № 5. с.719-727 .

96. Востоков С. В. Динамика взвешенного органического вещества в Черном море в период зимне-весеннего цветения вод фитопланктоном // Изменчивость экосистемы Черного моря. Естественные и антропогенные факторы. М.: Наука, 1991. с. 262-270.

97. Неуймин Г. Г., Сорокина Н. А. О корреляции между вертикальными распределениями оптических и гидрологических характеристик в океане // Океанология. 1976 г. т 16. № 3 с. 441-450.

98. Карабашев Г. С., Соловьев А. И. О связи максимумов интенсивности флуоресценции пигментов фитопланктона с положением сезонного пикноклина. // Океанология. 1978. т. 18. №4 с. 109-715

99. Парамонов JI. Е. Теоретический анализ оптических спектров поглощения водорослей.//Океанология. 1995. т. 35 №5. с. 719-724.

100. Бекасова О. Д., Цветкова А. М., Евстигнеев В. Б. Об изменениях пигментной системы океанического фитопланктона // Гидрофизические и гидрооптические исследования в Индийском океане. М.: Наука, 1975. с. 235243.

101. Глебовский Д. Н., Кириллов A. JL, Сидоренко В. М., Четкарева Л. Э. Фотолюминесценция морской воды. // ЖПС 1983, 9, №3, с. 481-483.

102. Степанов Б. И., Апанасевич П. А. О понятиях фотолюминесценции и рассеянии. Изв. АН СССР. Сер. физич. 1958. т.22, №11. с. 1380-1386.

103. Дружинин Н. И., Шишкин А. И. Математическое моделирование и прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши. Л.: Гидрометиоиздат, 1989 с. 390

104. Гольд В. М. и др. Опыт использования флуоресценции для дифференциальной оценки содержания хлорофилла у планктонных водорослей //Гидробиологический журнал, 1986, т. 22, №3, с. 80-85.

105. Теоретические основы и методы изучения флуоресценции хлорофилла: Учебное пособие/ Гольд В. М., Гаевский Н. А., Григорьев Ю. С., Попельницкий В. А., Гехман А. В.- Красноярск: изд-во КГУ, 1984. 82 с.

106. Веретенников В. В. Влияние микроструктурных параметров дисперсной взвеси на характеристики многократного рассеяния при лидарном зондирования моря. // Оптика атмосферы и океана. 2002. т. 15., №12. с 11241130.

107. Баренбойм Г. М., Доманский А. Н., Туроверов К. К. Люминесценция биополимеров и клеток. М. -Л. Наука, 1966. 206 с.

108. Василевский А. М., Корнилов Н. В. Патент на изобретение № 2161791. Устройство для мониторинга жидкой биологической среды. Москва: ФИПС, 10 января 2001 г.

109. Ишанин Г. Г., Панков Э. Д. Источники и приёмники излучения. Санкт-Петербург: Политехника, 1991 г. с. 240

110. Ардабьева А. Г., Тарасова JL И., Малиновская J1. В. Кормовая база Северного Каспия в 2003 г. // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2003 г. Астрахань: КаспНИРХ, 2004. - 570 с.

111. Усачев П. И. Количественные колебания фитопланктона в Северном Каспии // Тр. инст. океанологии АН СССР. 1948. - т.2. - с. 60-88.

112. Левшакова В. Д. Фитопланктон северной части Каспийского моря // Материалы закавказской конференции по споровым растениям. Баку: изд. АН СССР, 1965. - с. 19-23.

113. Левшакова В. Д. Многолетние изменения весеннего фитопланктона Северного Каспия // Тр. «КаспНИРХ». 1967. - т.23. - С.25-58.

114. Ардабьева А. Г. Современное состояние фитопланктона Северного Каспия // Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по промысловой океанологии. — Астрахань, 1987.-е. 12.

115. Татаринцева Т. А., Терлецкая О. В. Фитопланктон Среднего и Южного Каспия в 2003 г. // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2003 г. Астрахань: КаспНИРХ, 2004. - 570 с.

116. Брамсом, Микаэль Абрамович и др. Морская рефрактометрия.- Л., 1986

117. Катунин Д. Н., Егоров С. Н., Кашин Д. В., Хрипунов И. А., и др. Основные черты гидролого-гидрохимического режима Каспийского моря в2002 г. // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2002 г. Астрахань: КаспНИРХ, 2003. - 14-36 с.

118. Хлебович В. В., Ардабьева А. Г., Катунин Д. Н., Татаринцева Т.А. Корреляция между величиной солености, концентрацией кремния и развитием фитопланктона в водах Северного Каспия // Труды зоологического института АН СССР. 1989. - т. 196. - С. 51- 62.

119. Левшакова В. Д. Фитопланктон и первичная продукция планктона. Каспийское море // Фауна и биологическая продуктивность. М., 1985. - с. 23 -64.

120. Катунин Д. Н. и др. Влияние природных и антропогенных факторов на гидролого-гидрохимический режим Каспийского моря // «Комплексные рыбохозяйственные исследования на Каспии». М., 1989. - с. 96 - 117.

121. Левшакова В. Д. О важнейших видах фитопланктона Каспийского моря, их количественном развитии и взаимоотношении // Биологические ресурсы Каспийского моря: Тез. конф. Астрахань, 1972. - С. 100-101.

122. Абдурахманов Г. М., Карпюк М. И., Морозов Б. Н., Пузаченко Ю. Г. Современное состояние и факторы, определяющие биологическое и ландшафтное разнообразие Волжско-Каспийского региона России. М.: Наука, 2002г.-416+ 33 ил.

123. Гаджиев А. А., Шихшабеков М. М., Абдурахманов Г. М., Мунгиев А. А. Анализ экологического состояния Среднего Каспия М.: Наука, 2003 г. - 424 с.

124. Санина Л. В и др. Морские гидробиологические исследования. М. Изд-во ВНИРО, 2000. - с. 38-48.

125. Катунин Д. Н и др. Комплексные океанологические исследования Каспийского моря в рейсе на научно-исследовательском судне "Исследователь Каспия". // Океанология. 2000. т. 40. №1. с. 156-158.

126. Техническое описание и инструкция по эксплуатации (МГФК 411711.012 ТО) // Передвижная лаборатория экспресс-контроля загрязнения атмосферного воздуха, почвы и воды (ПЛЭК). Москва 2001г.

127. Бродский А. Д., Кан В. Л. Краткий справочник по математической обработке результатов измерений. Москва: Государственное издательство стандартов, 1960.

128. Салманов М. А. Роль микрофлоры и фитопланктона в продукционных процессах Каспийского моря / Отв. ред. Сорокин Ю. И. М.: Наука, 1987. - 213 с.

129. Каспийское море: Структура и динамика вод // Отв. ред. Косарев А. Н. -М.: Наука, 1990- 163 с.

130. Каспийское море: Фауна и биологическая продуктивность / Яблонская Е. А., Левшакова В. Д. Ардабьева А. Г. и др.; Отв. ред., Яблонская Е. А. М.: Наука, 1985.-277 с.

131. Михайлов В. Н. Загадки Каспийского моря. Соросовский образовательный журнал. 2000. Т.6. N 4. с. 63-70.

132. Касымов А. Г. Экология Каспийского озера. Баку, 1994. 237 с.

133. Салманов М. А. Экология и биологическая продуктивность Каспийского моря. Баку. 1999.-400 с.

134. Бутаев А. М., Гаджиев А. 3., Гасанов Ш. Ш., Монахов С. К. Современное состояние и возможное направление развития экосистемы Каспийского моря // Вестн. ДНЦ РАН. 1999. № 4. С. 85-95.

135. Бутаев А. М. Каспий: статус, нефть, уровень. Махачкала, 1999.221 с.

136. Иванов В. П., Сокольский А. Ф. Научные основы стратегии защиты биологических ресурсов Каспийского моря от нефтяного загрязнения. Астрахань: Изд-во КаспНИРХа, 2000. 181 с.

137. Бутаев А. М., Рыбникова В. И., Гаджиев А. 3. Бактериальное загрязнение прибрежных вод Каспия в районе Махачкалы // Вестн. ДНЦ РАН. 1998. № I.e. 69-73.

138. Уцов С. А., Шаймарданова Н. Ф., Бутаев А. М. Нефтяное загрязнение и бактериопланктон Северного Каспия // Достижения и современные проблемы развития науки в Дагестане. Махачкала, 1999. 173 е.

139. Еремеева С. В., Курапов A.A., Мельников С.А. Современное экологическое состояние северной части Каспийского моря в зимне-весенний период//Вестн. МАНЭБ. 1999. № 9. с. 51-55.

140. Аксёненко М. Д., Бараночников М. JI. Приёмники оптического излучения: справочник. М.: Радио и связь, 1987. - 296 с.

141. Пажаров А. В. Аппаратура клинико-лабораторного анализа. Санкт-Петербург: ЛЭТИ, 1982.

142. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1981. - 718 с.

143. Ахутин В. М., Немирко А. П., Першин Н. Н., Попечителев Е. П., Романов С. В. Биотехнические системы: Теория и проектирование. Ленинград: Изд-во Ленинградского ун-та, 1981 г.- 220 с.

144. Биотехнические системы: Теория и проектирование / под ред. В. М. Ахутина. Л.:ЛГУ 1981,220 с.

145. Разработка методов и аппаратуры комплексного и оперативного мониторинга экосистем и их внедрение: Отчет о научно-исследовательской работе.- Красноярск, Красноярский ун-т, кафедра физиологии и микробиологии, 1991. 112 с.