浮游植物光合速率叶绿素荧光快速定量分析方法研究

The photosynthetic rate of phytoplankton is an indicator of the photosynthetic status and growth potential. The real-time measurement of photosynthetic rate is important for the algal bloom prediction and assessment of ecological risk in water. Most existing methods for photosynthetic rate measurement are based on sampling and lab analysis. This project proposed a new method based on the chlorophyll fluorescence which can quantify the photosynthetic rate rapidly. Employing the chlorophyll fluorescence as the probe of photosynthesis, this project divided the complex photosynthesis into several parts using different light pulse exciting modes, and calculated the photosynthetic parameters of each part by analyzing the induced fluorescence curves according to different light pulse exciting modes. Finally an analysis method for photosynthetic rate of phytoplankton was established combining with energy transfer model in thylakoid membrane. This method solved the problem that the exciting chlorophyll fluorescence methods cannot analysis the complex photosynthesis process comprehensively to accurately analyze the energy efficiency of the photosynthesis, and realized the real-time analysis of the photosynthetic rate of phytoplankton, which provided a method for the development of the in situ measurement techniques.

浮游植物光合速率是光合作用状态和生长潜能的指示剂，实时快速测量浮游植物光合速率对于研究水体初级生产力、防治水华和赤潮灾害、评估水体生态风险具有重要的现实意义。而当前对浮游植物光合速率测量大多采用现场采样后离线分析的方法，缺乏实时快速的分析手段。鉴于此，本项目提出一种基于叶绿素荧光的浮游植物光合速率快速定量分析新方法，采用叶绿素荧光作为光合作用过程的探针，重点研究浮游植物叶绿素荧光的可变光脉冲诱导方法，将复杂的光合作用能流过程分段，通过分析不同诱导模式下叶绿素荧光动力学曲线，分段获得主导光合作用能流效率的光合参数；在此基础上，根据生物膜能流过程，建立浮游植物光合速率的叶绿素荧光定量分析方法。该方法解决了现有叶绿素荧光技术难以全面解析复杂的光合作用过程，准确获得光合作用能流效率的难题，实现了浮游植物光合速率的实时快速分析，为发展现场原位测量技术提供方法基础。

浮游植物光合作用过程是水体生态系统物质循环和能量流动的基础环节，其光合速率是光合作用状态和生长潜能的指示剂，实时快速测量浮游植物光合速率对于研究水体初级生产力、防治水华和赤潮灾害、评估水体生态风险具有重要的现实意义。黑白瓶、同位素示踪等传统光合速率测量方法需要“现场采样-温育培养-离线分析”，存在测量时间长、手续繁琐、效率低，难以满足现场快速测量需求。本项目研究了一种基于可变光诱导荧光动力学技术的浮游植物光合速率快速定量分析方法，圆满完成计划书中规定的目标和任务，主要研究工作和取得的研究成果如下：.（1）研究了浮游植物光合作用电子阻塞位点可变光脉冲调控方法，重点研发了激发光强自适应调控技术，设计了可变光脉冲调控电路，实现了不同浮游植物测量过程中的光强自适应调控，解决了光合电子传递链阻塞位点的精确调控问题；.（2）研究了可变光脉冲诱导下快速和弛豫荧光信号检测技术，设计低噪声光电信号转换与基于时间交替的多路采样电路，实现了微秒量级快相荧光动力学曲线精确采样；设计了同步积分技术的荧光检测电路，实现了微弱弛豫荧光信号的高灵敏检测。.（3）研究了荧光动力曲线的光合参数反演算法，包括最大荧光产率滑动窗口斜率判定方法，光化学量子效率和功能吸收截面线性最小二乘算法，以及PQ平均还原时间常数离散迭代算法，实现浮游植物光合作用参数的准确反演；在此基础上，基于生物膜能流理论，建立了浮游植物光合速率荧光动力学分析方法。.（4）构建了浮游植物光合速率联合实验平台并进行了对比实验测试，结果表明：DCMU胁迫、盐胁迫、不同光照培养、不同营养盐条件下，荧光动力学法测量的电子传递速率ETRa与液相氧电极测量的光合放氧速率PO2间具有良好线性相关性，线性相关系数R2分别为0.869、0.881、0.865、0.849，验证了荧光动力法测量光合速率有效性和准确性。.本项目研究成果为发展浮游植物光合速率的实时快速测量技术提供方法基础。