Содержание к диссертации
Введение
1. Органическое вещество морей и океанов. его происхождение, состав и вертикальное распределение 14
1.1. Взвешенное органическое вещество 15
1.2. Растворенное органическое вещество (РОВ) 24
1.3. Флуоресцирующее растворенное органическое вещество (ФРОВ) 27
Выводы 34
2. Анализ процесса формирования вертикального распределения фров и модельные представления 37
2.1. Механизм образования ФРОВ в морской среде 37
2.2. Модельное представление формирования концентрационного профиля органической взвеси и ФРОВ 43
2.3. Формирование профилей ФРОВ 49
Выводы 59
3. Метод исследования флуоресценции органического вещества в морской среде и используемая аппаратура 60
3.1. Описание метода исследования ФРОВ в морской среде 60
3.2. Методика отбора проб морской воды 64
3.3. Методика центрифугирования проб морской воды 67
3.4. Аппаратура и методика проведения спектрофотометрических и спектрофлуориметрических измерений в пробах морской воды 68
3.5. Флуориметрические измерения в пробах морской воды 71
3.6. Методика количественной оценки флуоресценции РОВ и концентрации хлорофилла в морской воде 74
3.7. Аппаратура для натурных измерений флуоресценции в морской среде..83 Выводы 92
4. Экспериментальные результаты и их анализ 95
4.1. Вертикальное распределение интенсивности флуоресценции хлорофилла фитопланктона и некоторых других параметров в водах Черного моря 95
4.2. Ультрафиолетовые спектры пропускания проб морской воды, взятых с разных глубин до и после центрифугирования 102
4.3. Исследование флуоресценции РОВ в пробах морской воды 107
4.3.1. Влияние УФ облучения, фотолиза и старения на флуоресценцию РОВ морской воды 107
4.3.2. Спектрофлуориметрическое исследование РОВ в пробах морской воды, взятых с глубин до 200м 110
4.4. Исследование полос флуоресценции и возбуждения флуоресценции в фильтрованных пробах морской воды 118
4.5. Исследование флуоресценции в центрифугированных пробах морской воды 122
4.5.1. Изменение интенсивности флуоресценции РОВ в пробах морской воды после центрифугирования 122
4.5.2. Исследование полос флуоресценции и возбуждения флуоресценции в центрифугированных пробах морской воды 130
4.6. Исследование других характеристик флуоресценции РОВ морской воды. 141
4.7. Профили интенсивности флуоресценции РОВ, биологических и гидрологических параметров в водах Черного моря 144
Выводы 151
Заключение 157
Список специальных сокращений, встречающихся в тексте 162
Список использованной литературы 163
Приложение 1 174
Акт использования научных результатов, отраженных в диссертационной работе 175
- Растворенное органическое вещество (РОВ)
- Модельное представление формирования концентрационного профиля органической взвеси и ФРОВ
- Методика центрифугирования проб морской воды
- Ультрафиолетовые спектры пропускания проб морской воды, взятых с разных глубин до и после центрифугирования
Введение к работе
Мировой океан в последние десятилетия стал полем интенсивной хозяйственной, экологической, военной и научной деятельности. Современные океанологические исследования, охватывающие до больших глубин большие акватории, предоставляют большое количество первичных данных, которые необходимо оперативно обрабатывать. Это в свою очередь выдвигает задачи автоматизации процессов сбора, обработки информации, решение которых сопровождается исследованием и разработкой новых методов, созданием аппаратурных комплексов исследований на основе внедрения новейших достижений оптико-электроники и вычислительной техники. Учитывая, что большинство процессов и явлений, происходящих в океане быстропротекающие, возникает необходимость получения информации о них в реальном масштабе времени.
Широкое распространение в океанологических исследованиях при изучении первичных характеристик получили оптические методы. Эти методы обладают целым рядом преимуществ перед другими, а именно, обеспечивают высокую чувствительность, не вносят искажений в исследуемое поле, практически безынерционны, отличаются быстродействием, что является определяющим при обработке информации о быстропротекающих процессах в морской среде, и позволяют получать информацию о целом ряде океанологических и гидрофизических параметров. Один из наиболее перспективных оптических методов - флуоресцентный.
Флуоресцентный метод исследования отличает экспрессность обнаружения и определения органических веществ природного и антропогенного происхождения в толще и на поверхности океана. Возможность неразрушающего контроля вещества в малых объемах с чрезвычайно низким - до 10' моль порогом обнаружения, пригодность для раздельного определения веществ в их смеси (селективность), доступность необходимых технических средств - делает его незаменимым при
5 проведении океанологических и экологических исследований водных сред в реальном масштабе времени.
Достоинства флуориметрического метода становятся решающим доводом в пользу его внедрения в океанологические исследования, поскольку он позволяет изучать натуральную морскую воду без какой-либо предварительной подготовки. Экспрессность измерений флуоресценции с помощью погружных флуориметров работающих как в режиме зонда, так и в режиме буксировки дает возможность радикально повысить производительность определений органических веществ в океане, как природного, так и антропогенного происхождения. Приблизить их к наблюдениям гидрофизических характеристик по временному и пространственному разрешению, и, в реальном масштабе времени, получать информацию о пространственном распределении измеряемых параметров непосредственно в процессе зондирования или буксировки. С помощью погружных флуориметров в океанологии можно следить за биологической продуктивностью и экологической чистотой вод морей, озер и океанов.
Применение специально вводимых в водную среду органических красителей дает возможность с помощью флуориметра изучать направления, мощность и скорость распределения течений, зон подъема и опускания водных масс, динамику вод исследуемого водоема, внутренние волны и гидродинамические возмущения морской среды, распространение загрязняющих примесей. Причем, сами измерения в силу практической безынерционное флуоресценции дают возможность непосредственно в процессе зондирования или буксировки флуориметра в реальном масштабе времени проводить экспрессную оценку биохимического состояния и антропогенного загрязнения изучаемого района, а экстремально высокая чувствительность метода флуориметрии делает флуориметры незаменимыми при проведении такого рода исследований.
Дальнейшее развитие зондов-флуориметров должно привести к встраиванию их в гидрофизические измерительные комплексы, выходу на большие глубины, созданию буйковых и буксируемых многоканальных флуориметрических измерительных систем.
Экспрессность измерений флуоресценции и возможность ее измерения в объемах воды с поперечником 10"2м за малые доли секунды, позволяет определять флуоресцирующие органические вещества в океане и наблюдать их гидрофизические характеристики во временном и пространственном разрешении. Это значит, что, используя флуориметрические методы изучения органических веществ, можно получать детальную картину их распределения и изменчивости как раз в том интервале масштабов и периодов, который недоступен любым способам океанологических наблюдений, основанным на отборе и анализе проб воды. Такая возможность особенно ценна при освоении пищевых и минеральных ресурсов океана, для контроля санитарного состояния моря, при изучении движения морских водных масс и в других разделах океанологических исследований, где имеют дело с мелкодисперсными веществами, присутствующими в водной среде.
В то же время, флуориметрия, являясь одним из самых чувствительных методов, позволяет регистрировать вещества, концентрации которых недоступны для регистрации обычно используемыми спектральными и химико-биологическими методами. Так, пороговая чувствительность погружных флуориметров по органическим красителям составляет величину 10"10г/мл. Как правило, динамический диапазон регистрации интенсивности флуоресценции в линейном режиме у этих флуориметров охватывает 2-3 порядка. А чувствительность лабораторных флуориметров, особенно имеющих лазерное возбуждение - еще на несколько порядков выше. Такая чувствительность метода позволяет определять присутствие в морской среде ничтожно малых концентраций органических веществ, что особенно ценно при проведении экологических исследований.
Связующая роль растворенного органического вещества (РОВ) в водных сообществах и интенсивное участие его легкоусвояемых компонентов в межорганизменном обмене делают параметр РОВ источником многогранной
7 информации о состоянии экосистемы моря и водных сред. Поэтому, для проведения контроля экологической обстановки в морской среде, необходима и крайне важна достоверная информация о природной флуоресценции РОВ морской воды (MB), так называемой фоновой флуоресценции, о вертикальном распределении флуоресцирующего растворенного органического вещества (ФРОВ) в морской среде и о спектральном составе флуоресценции ФРОВ в зависимости от сезона и глубины. Такая информация необходима, чтобы на ранней стадии иметь возможность регистрировать появление в водной среде антропогенного загрязнения и следить за его развитием, распространением и изменением концентрации.
В связи с большой значимостью и важностью этого метода, и для его успешной реализации, возникает потребность в разработке методов исследования флуоресценции РОВ, которые бы позволили понять природу появления ФРОВ и закономерности его распределения в морской среде; в аппаратуре, с помощью которой можно проводить корректные и качественные измерения вертикального распределения ФРОВ и регистрировать наличие антропогенного загрязнения в водных средах. Использование этих данных даст возможность выбрать наиболее подходящий источник возбуждения флуоресценции и оптимальные спектральные «окна» в полосах возбуждения и флуоресценции РОВ, что позволит усовершенствовать погружные флуориметры и получить реальное представление о природной «фоновой» флуоресценции РОВ MB и об ее изменении в зависимости от глубины и сезона.
Объектами флуориметрических наблюдений в толще моря выступают непрерывно распределенные изменчивые субстанции, пребывающие в условиях, не поддающихся воздействию экспериментатора. Эти обстоятельства, общие цели и специфика океанологических измерений приводят к тому, что, как уже упоминалось, для успешного применения флуориметрических методов при освоении океана, требуется выяснить
8 закономерности флуоресценции морской среды и поступающих в нее веществ, а также разработать специальный аппаратурно-методический комплекс. То есть, решить задачи, которые раннее не возникали ни в одном из научных направлений. Эти задачи взаимосвязаны и поддаются решению лишь совместными усилиями океанологов, физиков и инженеров.
Трудность решения этих задач обусловлена тем, что океанологи, заинтересованные в результатах внедрения флуориметрических методов, плохо осведомлены о флуоресценции как физическом явлении. Специалисты по оптике моря, дисциплины, нацеленной на решение вопросов подводной локации и связи, распространения солнечного излучения в море и др., ею мало занимались, поскольку флуоресценция морской воды как энергетически слабый эффект не учитывается в большинстве ее задач. Физики-оптики, изучающие флуоресценцию как физическое явление и заинтересованные в приложении своих результатов, слабо представляют проблемы океанологических исследований, особенно их нефизических разделов, где флуоресцентные методы особенно перспективны. Инженеры-разработчики океанологической аппаратуры - нуждаются в сотрудничестве с физиками и океанологами на различных стадиях создания и освоения -морской флуориметрической аппаратуры. Это типично для междисциплинарного направления научной деятельности, возникшей на стыке далеких друг от друга областей знаний.
Целью настоящей работы является разработка метода исследования флуоресцирующего растворенного в морской воде органического вещества,-позволяющего изучать вертикальное распределение ФРОВ во взаимосвязи с биологическими, гидрологическими и гидрофизическими параметрами; выяснение с его помощью механизма появления ФРОВ в морской воде и, используя экспериментальные результаты, полученные с использованием этого метода, - разработка математической модели, позволяющей описать закономерности вертикального распределения ФРОВ в морской среде.
9 В результате выполненных в работе спектрофлуориметрических исследований обнаружены сезонные изменения состава ФРОВ, происходящие на верхних горизонтах моря. Впервые показано, что спектры возбуждения и флуоресценции РОВ с глубиной изменяются, и что эти изменения происходят в результате изменения состава ФРОВ.
В области скачка плотности MB обнаружена область повышенной концентрации флуоресцирующего РОВ, принимающая на вертикальном распределении интенсивности флуоресценции РОВ форму пика или своеобразного «флуороклина». Получен патент на способ определения глубины залегания слоя скачка плотности морской воды в реальном масштабе времени с помощью погружного флуориметра.
Выяснено, что концентрация ФРОВ в морской среде в течение года изменяется.
В морской среде впервые обнаружены довольно узкие слои (толщиной 10-15м) состоящие из «непрочной» органической взвеси, содержащей большие концентрации флуоресцирующего растворимого в морской воде органического вещества и оценена их скорость осаждения. Обнаруженное явление позволяет объяснить механизм появления и формирования поля ФРОВ в морской среде.
Доказано, что спектрофлуориметрические характеристики растворимого флуоресцирующего органического вещества, выделяющегося при центрифугировании проб MB, имеют сезонные различия. На протяжении нескольких лет наблюдалась сезонная цикличность присутствия в составе органической взвеси одинакового флуоресцирующего вещества.
Излучателыюе время жизни флуоресценции при Хвозб.^ЗУнм в центрифугированных пробах MB для длин волн регистрации ^рСГ=400, 420 и 460нм оказалось не одинаковым в разных фракциях центрифугированных проб и во всем изучаемом диапазоне глубин вод Черного моря (20 - 200м). На некоторых глубинах различия времени жизни в разных фракциях центрифугированных проб MB для одной и той же длины волны регистрации
10 флуоресценции при средней дисперсии измерений 0,65x10"2 достигали более
1,8нсек. В среднем, для всех длин волн регистрации флуоресценции в исследуемых пробах MB наблюдалось уменьшение с глубиной излучательного времени жизни от 8,9нсек на 20м до 7,2нсек на 200м.
Полученные результаты отличаются от опубликованных данных, свидетельствуют о сложности состава флуоресцирующего органического вещества морской среды и подтверждают обнаруженное в результате исследований его изменение с глубиной.
Обнаружена тонкая структура вертикального распределения фитопланктона, взаимосвязанная с мелкомасштабными слоями MB структурированными по температуре.
Предложена математическая модель формирования профилей ФРОВ, удовлетворительно описывающая нарастание концентрации ФРОВ с глубиной.
Полученные в работе результаты представляют большой интерес для понимания процессов, происходящих в морской среде. Наблюдение за изменениями вертикальных профилей интенсивности флуоресценции РОВ дает возможность судить о биологической продуктивности, экологической чистоте и о внутренней динамике вод в изучаемой акватории.
Специально сконструированная и изготовленная флуориметрическая приставка к спектрофотометру СФ-26, вместе с разработанной методикой количественной оценки флуоресценции РОВ, позволяет в натурных условиях проводить экспрессную количественную оценку флуоресценции РОВ, калибровать погружные флуориметры и контролировать экологию природных вод.
Разработанная и изготовленная измерительная головка к погружному флуориметру, регистрирующему флуоресценцию хлорофилла фитопланктона, дает возможность одновременно проводить измерения профилей нескольких параметров и сопоставлять их распределения. Это особенно важно при наблюдении за экологическим состоянием водной среды, биологической продуктивностью и санитарной чистотой вод морей, озер и океанов.
Результаты многолетних исследований флуоресценции в пробах MB, отобранных с разных горизонтов были использованы при изготовлении глубоководного оптикогидрофизического зондирующего комплекса «Кондор» в части создания и отладки работы флуориметрических каналов измерения флуоресценции РОВ и хлорофилла.
На основании полученных данных о профилях интенсивности флуоресценции РОВ предложено использовать их характерное распределение при изучении внутренних волн и других гидродинамических возмущений, распространяющихся на больших глубинах с помощью погружного флуориметра, где такое изучение с помощью другой аппаратуры и методов физически невозможно.
Работы были заданы соответствующими Постановлениями правительства СССР и были направлены на разработку методов и приборов контроля за гидродинамическими возмущениями морской среды, что позволило, в свою очередь, проводить экспрессную оценку биохимического состояния и антропогенного загрязнения морской среды.
Основное направление диссертационной работы - разработка метода исследования распределения флуоресцирующего органического вещества в морской среде, создание математической модели, позволяющей описать закономерности этого распределения на различных глубинах и исследование с помощью разработанного метода флуоресцентных характеристик морской воды на различных глубинах и в различных гидрологических условиях. Задачами исследований являлись: разработка метода проведения экспериментальных исследований для выяснения механизма появления ФРОВ в морской среде; разработка методики проведения экспрессной количественной оценки ФРОВ присутствующего в морской воде; - разработка и усовершенствование методик, аппаратуры и технических средств для проведения экспериментальных исследований; исследование особенностей вертикального распределения фитопланктона, как основного поставщика ФРОВ в морскую среду; исследование влияния возбуждающего ультрафиолетового (УФ) излучения на интенсивность и форму спектров флуоресценции РОВ; экспериментальное исследование флуоресценции РОВ в зависимости от глубины и сезона; экспериментальное исследование профилей интенсивности флуоресценции (ИФ) РОВ до больших глубин; разработка математической модели, описывающей экспериментально наблюдаемые профили ИФ РОВ.
В настоящей работе использовалось два основных метода, применяемых при исследовании флуоресценции РОВ MB: контактный и бесконтактный. Под контактным методом понимается исследование в реальном масштабе врехмени вертикального и горизонтального распределения ФРОВ в морской среде с помощью погружных флуориметров в режиме зонда или буксировки. Бесконтактный, - с помощью аппаратуры для изучения флуоресценции в лабораторных или корабельных условиях при исследовании проб морской воды, отобранных с разных глубин. Изучение флуоресценции в лабораторных условиях, в зависимости от поставленной задачи, подразделяется на два вида: измерение уровня интенсивности в максимуме полосы флуоресценции и исследование спектрального распределения полосы возбуждения и флуоресценции РОВ MB.
Натурные флуориметрические исследования проводятся с целью получения пространственно-временной изменчивости поля интенсивности флуоресценции РОВ и хлорофилла, их взаимосвязи с гидрологией.
Результаты проведенных исследований используются также при решении прикладных задач, связанных с использованием флуориметрнческой аппаратуры, в частности при оптимизации спектральных
13 характеристик для разработки новых усовершенствованных контактных и дистанционных флуориметров, разработке на основании созданной модели рекомендаций по их использованию в различных гидрологических ситуациях и при прогнозировании закономерностей распределения поля флуоресценции в океане.
Основные положения, выносимые на защиту:
Флуориметрический метод исследования ФРОВ в морской среде.
Разработанная и испытанная в натурных и лабораторных условиях аппаратура для исследования ФРОВ морской среды.
Методика количественной оценки ИФ РОВ в морской воде.
Математическая модель, описывающая механизм формирования вертикального распределения ФРОВ в морской среде.
Автор благодарен научному руководителю НИРов, в которых использованы результаты диссертационной работы, доктору технических наук, профессору Красовскому Э.И. за консультации и помощь в процессе проведенных исследований.
Растворенное органическое вещество (РОВ)
Другая форма ОВ в MB - это РОВ, количество которого в океане в 10-50 раз больше, чем взвешенного, а концентрация в MB составляет от 0,4 до 2мг/л. Как уже говорилось, к РОВ в химии океана относят все то, что проходит через фильтры с размером пор 0,45 - 1мкм [1, 2 и др.]. Сюда входят как истинно молекулярный раствор, так и мелкая взвесь, а также коллоиды.
Количество РОВ обычно характеризуют концентрацией растворенного органического углерода (С) и принято считать, что эта величина составляет примерно половину общей концентрации РОВ [28]. Автохтонному происхождению РОВ в водных средах способствуют два естественных процесса [29]. Первый - это, как уже упоминалось выше, - разложение растительного или животного материала. После гибели животных или растительных клеток наступает первая стадия разложения - автолиз, на которой растворимые вещества не выщелачиваются. На этой стадии сквозь поврежденный участок клеточной стенки в погибшую клетку может проникнуть определенное количество бактерий и ускорить процесс распада. На следующей стадии растворимые вещества вымываются из погибшей клетки. В ходе этого процесса может теряться от 15 до 50% биомассы клетки. В результате, при седиментации быстро разлагающиеся соединения частично выделяются в окружающую среду, а частично превращаются бактериями в их клеточное вещество. Продукты распада клеток включают аминокислоты, кетокислоты и жирные кислоты. Более стойкие компоненты организмов, такие как целлюлоза и хитин, как правило, разлагаются только бактериями. Согласно [3], концентрации растворенных органических соединений в водной среде во много раз ниже их концентраций внутри клеток большинства присутствующих здесь же микроорганизмов, где их концентрация может превышать в 100-10000 раз концентрацию РОВ в MB.
Второй процесс - выделение растениями и животными внеклеточных продуктов жизнедеятельности. При фиксации углекислого газа в ходе фотосинтеза от 5 до 30% внеклеточных продуктов метаболизма может высвобождаться в виде растворимого органического углерода. Популяции фитопланктона в целом и его отдельные виды высвобождают в процессе жизнедеятельности от 15 до 30% продуктов экскреции в форме РОВ [3, 30]. Образующиеся внеклеточные продукты метаболизма включают полисахариды, полипептиды, аминокислоты, гликолевую кислоту, а также некоторые биологически активные соединения. Причем, как сообщается в работе [31] при незначительном развитии фитопланктона в MB преобладают свободные аминокислоты. С увеличением продукции фитопланктона увеличивается концентрация в MB связанных аминокислот. Содержание в MB свободных аминокислот также увеличивается, но затем продукция фитопланктона продолжает расти, а концентрация свободных аминокислот резко уменьшается, в воду же выделяются связанные аминокислоты, то есть в клетках осуществляется трансформация органического вещества. Таким образом, концентрации свободных и связанных аминокислот, растворенных в MB - величины непостоянные, и они, также как и другие гидрохимические и биологические показатели, претерпевают сезонные изменения.
О том, что связанные аминокислоты присутствуют во всей водной толще, а свободные, концентрации которых крайне низки, - содержатся только в поверхностных океанических водах, сообщается и в [2]. Здесь также говорится, что свободные аминокислоты образуются в результате выделений различными морскими организмами, гидролиза и разложения биологического детрита. Присутствие этих аминокислот в MB, в виду их быстрой усваиваемости, довольно непродолжительно. Они утилизируются морскими организмами, вступают в реакцию с некоторыми другими органическими веществами, образуя комплексы полимерных веществ, и адсорбируются частичками взвеси. Связанные аминокислоты могут представлять собой соединения, подобные очень маленьким частичкам биологического детрита, которые имеют, независимо от глубины нахождения, существенный возраст (от нескольких десятков до нескольких тысяч лет). Причем неизвестно, каким образом растворенные связанные аминокислоты могут иметь возраст больший, чем основная масса растворенного органического углерода.
В Черном море, согласно [32], основным биохимическим компонентом РОВ на всех глубинах, от поверхности до дна являются углеводы. В то время, как во взвешенном ОВ преобладают белки. Как было отмечено, здесь же, по своим физико-химическим свойствам РОВ глубинных слоев (100-2000м) значительно отличается от ОВ верхнего 100м слоя. По данным [33] концентрация РОВ в Черном море с глубиной уменьшается, а по данным [32], наоборот, растет.
Вертикальное распределение РОВ по молекулярным фракциям соответствует уменьшению молекулярного веса ОВ с глубиной. Так, в работе [34] сообщается, что по мере перехода от поверхностных вод к глубинным, относительное содержание высокомолекулярных фракций РОВ уменьшается, а среднемолекулярных - повышается. В работе [35] приводятся исследования, проведенные в водах Черного моря методом гель-фильтрации. Результаты показали, что в грунтовых растворах Черного моря органические соединения с молекулярным весом 5000 не найдены. Значительная часть органических соединений имела молекулярный вес 2000. На их долю приходилось 40,7 -50,8% РОВ, а на долю низкомолекулярных соединений с молекулярным весом 200 - 23-37%. О росте доли низкомолекулярных соединений РОВ с глубиной говорится и в работе [36].
Связующая роль РОВ в водных сообществах и интенсивное участие легкоусвояемых его компонентов в межорганизменпом обмене делают параметр РОВ источником многогранной информации о состоянии экосистемы моря. Для основных химических компонентов растворенного органического вещества характерны следующие значения концентрации (мг/л): аминокислоты и белки - менее 0,1; углеводы - от 0,1 до 0,3; липиды - от 0,1 до 0,2 [3]. Сам химический состав РОВ довольно разнообразен. В работе [4] приводятся данные Е.Дуурсма о 150 различных индивидуальных ОВ, реально идентифицированных в водах океана, концентрация которых в MB изменяется от следов до миллиграммов на литр. Все эти вещества сгруппированы в семь разделов: 1) углеводы; 2) протеины и их производные; 3) алифатические карбоксилы; 4) биологически активные вещества (витамины и гормоны); 5) гумусовые кислоты; 6) фенолы; 7) углеводороды.
Модельное представление формирования концентрационного профиля органической взвеси и ФРОВ
Рассмотрим модель формирования профиля ФРОВ, взяв за основу положения, изложенные в параграфе 2.1. данной главы и, как наиболее подходящий к предлагаемой модели тот подход, который был изложен в [71, 72, 73, 74]. В работах [71, 72, 73] в приближении, описываемом одномерным уравнением диффузии, детально анализируется влияние гидрофизических и биологических факторов на вертикальное распределение взвеси органического происхождения. Даже в простейшем стационарном случае число параметров задачи не менее четырех [73], а их численные значения, задающие характеристики частиц взвеси и гидрофизических факторов известны зачастую с погрешностью не менее порядка. В результате, практически любое наблюдаемое распределение может быть описано множеством наборов параметров (численные значения каждого из которых не выходят за рамки физически приемлемого), что снижает привлекательность подобных моделей. Цель настоящей работы - построить модель для описания вертикального распределения ФРОВ на основе общего подхода, развитого в [71, 72, 73, 74] и сопоставить ее с экспериментальными данными. Постановка задачи. При постановке задачи принималось, что размеры ФРОВ соответствуют размерам РОВ и составляют порядка 1мкм. Такое представление позволило рассматривать ФРОВ как флуоресцирующие частицы. В связи с отсутствием концентрационного тушения флуоресценции РОВ в MB, концентрация ФРОВ пропорциональна ИФ РОВ, что дает возможность сравнивать рассчитанные профили концентрации ФРОВ с экспериментально наблюдаемыми профилями ИФ РОВ.
Введем объемную концентрацию частиц (С). В предположении, что в морской среде имеют место конвективный и диффузионный переносы частиц, а также отсутствуют источники или стоки частиц в рассматриваемом объеме, дифференциальное уравнение переноса имеет вид: — + div(cv + j) = 0 (2.3) где v - скорость конвективного переноса, j - диффузионный поток частиц, относительно которого будем полагать, что он обусловлен только градиентом концентрации, то есть j = -KgradC (2.4) где К- коэффициент диффузии. Для одномерного стационарного случая в предположении, что вышеперечисленные потоки имеют ненулевые составляющие только вдоль вертикальной координаты Z, уравнение (2.3) упрощается К v-C dz = 0 (2.5) & Из (2.5) следует _Z.C- 0, (2.6) дг К К где Q - константа, имеющая размерность потока и подлежащая определению из граничных условий задачи. Уравнение (2.6) является линейным дифференциальным уравнением первого порядка, общее решение которого имеет вид [78]: C(z) - ехр \2о сЫ+ Ы-\ у dx J J (2.7) где C(zo) - граничное значение искомой функции. Точка z0 по смыслу задачи отвечает приповерхностному уровню океана. Дальнейшие упрощения связаны с заданием граничных условий. Будем полагать, что C(z0) ), (2.8) а поток Q на глубине z0\ Q(Zo) = K _o-v(z0)C(z0) До настоящего момента ограничения на свойства частиц и среды были общими, и определялись уравнениями (2.3) - (2.4). Используя уравнение (2.6) и его решение (2.7), " опишем концентрационные профили флуоресцирующих частиц (размеры - до 1 мкм) и частиц органической взвеси (размеры до ЮОмкм). Из экспериментальных данных, полученных нами [79] а также опубликованных в работах [16 и др.] следует, что в приповерхностном слое олиго-мезотрофных вод океана и в водах Черного моря для флуоресцирующих частиц градиент концентрации практически нулевой, то есть 0(zo) = -v(zo)C(zo). (2.9) Что касается частиц органической взвеси, то для них выполнение условия (2.8) - очевидно, а условие (2.9) будем рассматривать как свойство исследуемой модели. Таким образом, общее решение уравнения (2.6) с учетом граничных условий (2.8) и (2.9) имеет вид: C{z) = ехр (2.10) где C(z) - нормированная на C(z0) объемная концентрация.
Отметим некоторые особенности решения (2.10). Если скорость конвективного переноса частиц - константа для всех z, то C(z) — также является константой. В случае, когда скорость - линейная функция от z , зависимость С от z определяется произведением двух членов. Первый -экспонента с квадратичной по z функцией в показателе, а второй — зависит от z через разность двух интегралов ошибок, один из которых на верхнем пределе имеет линейную по z функцию. Параметры задачи. Параметрами рассматриваемой модели является коэффициент диффузии и скорость конвективного переноса частиц, причем, в (2.10) они входят только в виде отношения. В этой связи во всех расчетах величина коэффициента диффузии не варьировалась и полагалась равной единице. (Здесь и далее численные значения всех параметров даны в системе единиц СГС). Для задания скорости вертикального перемещения частиц использовалась трехслойная структура моря с границами z0 + z3 и вертикальным перемещением MB в слое zj - z2 (область скачка плотности). Скорость вертикального перемещения вод здесь задавалась равной ± 5 х 10"5 и 0, где знак минус соответствовал подъему вод. Скорость гравитационного осаждения частиц определялась по формуле Стокса, в которой вязкость воды полагалась не зависящей от глубины и равной 10"2 [71, 73]. Плотность воды на уровне z0 задавалась равной 1,013, что соответствовало экспериментальным данным, и изменялась с глубиной по закону: Р.00= А( ОЖ ), (2.11) где ф(г) - кусочно-непрерывная линейная по z функция, со значением производной - 5x10" в интервале глубин zQ-z\\ 1,5x10" в z/-Z2 и 1x10" в Z2-z3. Эти значения были также взяты из усредненных экспериментальных данных. Плотность частиц считалась постоянной и принималась равной 1,018 для флуоресцирующих частиц и 1,03 для частиц органической взвеси [71]. Размеры частиц соответственно принимались равными 0,1-1мкм и 10-30мкм. При указанных значениях параметров величины скоростей гравитационного осаждения на уровне z0 соответственно лежат в интервалах 10"8 — 10"6 для флуоресцирующих частиц и 5x10"4 - 5x10"3 для частиц органической взвеси. Полная скорость конвективного переноса, входящая в выражение (2.10), определялась как сумма скоростей гравитационного осаждения и вертикального перемещения вод. Профили концентрации частиц.
Расчеты профилей концентрации флуоресцирующих частиц и частиц органической взвеси проводились по формуле (2.10) при указанных выше значениях К и v до глубин 200м. В связи с тем, что второй член в (2.10) в приближении (2.11) сводится к разности двух интегралов ошибок с различными, но близкими верхними пределами, при выполнении численного интегрирования использовался контроль по методу «вилки». Область скачка плотности задавалась границами Zi - 30м и Z2 = 42м, взятыми из эксперимента.
Для флуоресцирующих частиц получены следующие результаты. Во о /г всем интервале скоростей гравитационного осаждения отЮ" до 10" при отсутствии тока вод в [zj, z2], C(z)=\ с погрешностью не хуже 0,01. При наличии подъема вод в указанной области со скоростью 5х10 5см/сек, C(z) с ростом z от z0 до z3 уменьшается от 1 до значения -0,93 при у/=10"6см/сек и 0,94 при У=10"8см/сек.
Методика центрифугирования проб морской воды
Наличие флуоресцирующих продуктов в составе растворимого вещества органической взвеси морской среды определялось после центрифугирования проб MB, взятых с разных глубин. К центрифугированию проб MB приступали сразу же после их доставки в лабораторию. В процессе центрифугирования происходит смыв с поверхности взвеси адсорбировавшегося РОВ, деструкция нестойкой органической взвеси с вымыванием содержимого в раствор MB; разделение по гравитационным фракциям содержимого пробы; отделение органической взвеси и ее остатков от РОВ. Таким образом, центрифугирование проб MB позволяет смоделировать в ускоренном виде процесс деструкции органической взвеси и вымывания из нее растворимого органического вещества, происходящий в естественных условиях при седиментации органической взвеси в морской среде. Центрифугирование проб MB проводилось на медицинских центрифугах Опн-8 и Т-24 в пластмассовых пробирках емкостью 20 и 30 мл. В начале и после каждого цикла центрифугирования пробирки подвергались стандартной химической обработке и тщательно промывались бидистиллированной водой. После центрифугирования, пипеткой отбиралась верхняя часть пробы (часть «а») и сливалась нижняя (часть «б»). Условно считалось, что в верхней части содержится, в основном, легкая фракция РОВ, а в нижней, - более тяжелая, органическая взвесь и ее остатки. Разделение проб было не строгим, так как визуально различить какую-нибудь границу в пробе MB не представлялось возможным.
В дальнейшем, центрифугированные пробы хранились в темной посуде в холодильнике. Рабочие пипетки также после каждого отбора в центрифугированной пробе подвергались стандартной химической обработке.
Как показали исследования, величина интенсивности флуоресценции РОВ в центрифугированных пробах MB зависит от скорости и времени их центрифугирования. В качестве основного критерия выбора оптимальной скорости и времени центрифугирования были взяты за основу результаты эксперимента с пробой MB, отобранной в фотической зоне с глубины 35м, соответствовавшей максимуму залегания фитопланктона, где присутствовала достаточно прочная органическая взвесь. Результат центрифугирования этих проб на центрифуге Т-24 при скоростях 1000, 3000, 6000, 9000 и 15000об/мин и разном времени центрифугирования показал, что наиболее оптимальное время центрифугирования соответствует 30 минутам. Центрифугирование проб MB при первых трех скоростях в течение этого времени приводило к умеренному увеличению интенсивности флуоресценции в пробах MB, в то время как при скоростях 9000 и 15000об/мин такое увеличение было уже довольно значимо. С учетом этого, центрифугирование проб MB проводилось в течение 30 минут, в основном, на центрифуге Опн-8 при скорости 8000об/мин (достигаемый здесь максимальный фактор разделения, 6600g соответствовал такому же при скорости центрифугирования 9000об/мин на центрифуге Т-24).
Спектрофотометрические и спектрофлуориметрические измерения в отобранных пробах MB проводились в лабораторных условиях на берегу при комнатной температуре не более чем через два часа после их отбора.
Спектры пропускания проб записывались в спектральном диапазоне 220-400нм на спектрофотометре СФ-26 с шагом 5нм и на комплексе КСВУ-23 с шагом сканирования 2,5нм и усреднением измеряемой величины на каждом шаге не менее как по 15 отчетам. Измерения проводились в 1-см и, специально изготовленной для таких исследований, 10-см кварцевой кюветах относительно выпускаемой медицинской промышленностью и расфасованной в ампулы «воды для инъекций», выбранной нами как имеющей наименьший фон флуоресценции. Вначале и после каждого измерения кюветы подвергались стандартной химической обработке и тщательно промывались этой же водой для инъекций. После измерения пробы MB хранились в холодильнике в посуде из темного стекла.
Спектрофлуориметрические измерения проводились в ручном и автоматическом режимах. В первом случае использовался специально собранный на базе монохроматора МДР-23 сиектрофлуориметр. Возбуждение флуоресценции РОВ осуществлялось в кварцевой 1-см кювете азотным лазером (Я.ген.=337,1нм) под углом 90 к оптической оси монохроматора при введении лазерного излучения сверху. Для уменьшения рассеяния на матовой поверхности дна кюветы лазерного излучения, дающего посторонний фон, дно кюветы было отполировано. Спектральное распределение интенсивности выходящего из монохроматора излучения флуоресценции регистрировалось фотоэлектронным умножителем ФЭУ-100, с выхода которого сигнал подавался на микровольтметр ВЗ-40 и выводился на графопостроитель Н-306. Измерение флуоресценции проводилось при спектральной ширине щелей монохроматора - Знм в спектральном диапазоне 360-520нм.
Изучение полосы флуоресценции РОВ, спектральной области ее возбуждения и изменение этих характеристик в зависимости от глубины забора проб и сезона проводилось в автоматическом режиме на установке для изучения люминесценции СДЛ-2, управляемой с помощью микроЭВМ ДЗ-28. Флуоресценция возбуждалась под углом 90, сбоку. Спектральная ширина щелей монохроматора возбуждения (МДР-12) составляла 10нм, а монохроматора регистрации (МДР-23) -Зим. Для снижения фоновой засветки от лампы возбуждения, выходящей из монохроматора МДР-12, его внутренняя поверхность была защищена диффузно отражающим черным велюром.
Измерения проводились в режиме счета фотонов при усреднении на каждом шаге сканирования не менее как по 15 отчетам. Запись полосы флуоресценции в пробе с каждого горизонта проводилась по 3 раза, каждый раз заменяя пробу в кювете, затем спектральные распределения этих полос суммировались, определялось среднее спектральное распределение, которое сглаживалось, и результаты измерений выводились на самописец регистрации. Как показали результаты измерений, спектральные изменения интенсивности флуоресценции проб MB при повторных записях не превышали 5-10%, в то время как форма полосы флуоресценции не изменялась.
Ультрафиолетовые спектры пропускания проб морской воды, взятых с разных глубин до и после центрифугирования
Измерение спектров пропускания проб MB проводилось на спектрофотометре СФ-26 и комплексе КСВУ-23 с шагом сканирования 2,5нм в спектральном диапазоне 220-400нм в 1-см и, специально изготовленной, 10-см кварцевой кюветах, по методике, описанной в Главе 3.
Как показали многолетние исследования проб MB, взятых с глубин до 200м, величина пропускания в спектральной области 220-400нм с глубиной увеличивается. Такой характер изменения пропускания с глубиной соответствует литературным данным.
Дифференциальные спектры пропускания между центрифугированными и исходными пробами MB, записанные в 10-см кварцевой кювете на комплексе КСВУ-23 продемонстрировали, что после центрифугирования в растворе проб MB возникает широкая полоса поглощения сложной формы, расположенная в спектральной области 230-340нм. Сложность формы, возникшей полосы поглощения, и ее спектральный диапазон свидетельствуют о появлении в растворе MB хромофорных групп молекул аминокислот, белков и их производных.
В этих спектрах выделяются максимумы при 243, 265, 272,5 и 282,5нм. Подобные результаты были получены в работе [92]. Авторами, с помощью микроспектрофотометра, исследовалось поглощение света отдельным хлоропластом. Как известно, хлоропласты содержатся в клетках фитопланктона и представляют собой органоиды, осуществляющие синтез или накопление органических веществ внутри клетки. Проведенные измерения выявили наличие максимумов поглощения в УФ части спектра при 265, 290, 340нм, которые авторы связывают с присутствием, в хлоропласте протеинов и липидов.
Сравнивая результаты этой работы с полученными нами дифференциальными спектрами пропускания можно предположить, что появившиеся в растворе MB хромофорные группы вполне могут принадлежать внутриклеточному 0В, выделившемуся из органической взвеси в раствор MB при ее деструкции в процессе центрифугирования. Таким образом, проведенные исследования продемонстрировали, что в MB присутствует органическая взвесь, содержащая растворимое органическое вещество преимущественно белкового происхождения.
С целью изучения выделяющегося в результате центрифугирования проб MB растворимого органического вещества проводился анализ его аминокислотного состава.
Пробы для такого анализа отбирались в мае и июле 1988г на удалении 10 миль от берега в восточной части Черного моря, в зоне свободной от антропогенного загрязнения, с глубин от 20 до 100м. Центрифугирование проб проводилось по такой же схеме (8000об/мин в течение 15 минут). Для анализа брались части «а» проб MB с 20, 50 и 100м. С целью повышения точности проводимых измерений, часть центрифугированных проб концентрировалась упариванием на водяной бане. Так, часть «а» пробы MB с 20м была упарена с 800 доЗООмл, а часть «а» пробы со 100м - с 1200 до 600мл.
Определение аминокислотного состава образцов проводилось на аминокислотном анализаторе КЛА-5 фирмы «Хитачи» по программе свободных аминокислот согласно методике, данной в описании к прибору. Идентификация хроматограмм показала, что в частях «а» центрифугированных проб MB присутствовали основные аминокислоты (лизин, гистидин, аргинин) и отсутствовали кислые и нейтральные, а в пробе MB с 20м присутствовали также следы триптофана, концентрацию которого посчитать не удалось.
Результаты аминокислотного анализа ЦП MB. Суммарная концентрация аминокислот в центрифугированных пробах несколько превышала данные сообщаемые Б.А.Скопинцевым [33], что может быть вызвано, помимо различия в местах исследования Черного моря, как сезонными изменениями (Б.А.Скопинцев проводил отбор проб осенью, а мы весной) состава и количества OB MB, так и разными методиками выделения и определения концентрации аминокислот.
Естественным образом лизис клеток органической взвеси в MB происходит за счет старения и действия бактерий. Этот процесс приводит к тому, что при седиментации отмирающей органической взвеси в морскую среду постепенно выделяется содержащееся в ней растворимое органическое вещество, обогащая MB свежим РОВ. Такой механизм появления автохтонного РОВ в водах морей и океанов принят в океанологии.
Возможно, более высокие концентрации, полученные в наших измерениях, объясняются тем фактом, что в процессе центрифугирования, в результате деструкции органической взвеси, в раствор MB вымываются сразу все содержащиеся в ней аминокислоты.
Как уже упоминалось в главе 1, интенсивность флуоресценции РОВ MB уменьшается под воздействием УФ облучения. С целью выполнения корректных измерений и качественных исследований проводилось изучение влияния УФ лазерного облучения, используемого при возбуждении, на контур и интенсивность полосы флуоресценции РОВ MB. Эти данные были необходимы для определения оптимального времени записи спектров до начала возникновения изменений во флуоресценции MB.
Измерения проводились на спектрофлуориметрической установке, описанной в 3.4. Проба MB облучалась в кварцевой кювете размером 10х10х40мм азотным лазером ( ,,=337,11 0 при средней плотности мощности излучения 4х10" Вт/см . Луч лазера вводился в кювету с пробой MB сверху, одновременно являясь источником возбуждения флуоресценции. Изменения интенсивности флуоресценции РОВ в пробах MB, взятых с глубин от 20 до 150м регистрировались непрерывно в течение двух часов на фиксированных длинах волн регистрации - 420 и 430нм, соответствующих области максимума полосы флуоресценции РОВ при таком возбуждении.
Контроль временной стабильности мощности выходного лазерного излучения осуществлялся следующим образом. С помощью кварцевого светоделителя часть лазерного излучения отклонялась, расфокусирывалась, ослаблялась нейтральными фильтрами до уровня сигнала флуоресценции РОВ и попадала на фотоэлемент Ф-17. Сигнал с фотоэлемента по такой же схеме поступал на второй микровольтметр ВЗ-40 и выводился на второй графопостроитель Н-306. Данная установка обеспечивала измерения зависимости интенсивности флуоресценции РОВ от времени УФ облучения с относительной ошибкой не более нескольких процентов.
Как показали периодически проводимые измерения спектрального распределения полосы флуоресценции облучаемых образцов, интенсивность флуоресценции РОВ под действием УФ убывает равномерно по всему спектральному диапазону полосы флуоресценции. Изучение изменения интегральной флуоресценции РОВ под действием УФ облучения проводилось с помощью описанной в 3.3 флуориметрической приставки к спектрофотометру СФ-26. Возбуждение флуоресценции осуществлялось тем же лазером, а флуоресценция РОВ выделялась широкополосным интерференционным светофильтром (Лср.=425нм, Тмах.=75% и A LI/2—70нм) не пропускающим излучение от комбинационного рассеяния воды. (На рис. 4.6 представлен спектр пропускания данного интерференционного светофильтра, записанный на комплексе КСВУ-23 относительно воздуха).
