Способ определения концентрации хлорофилла в природных водах Советский патент 1987 года по МПК G01N21/64 

11

Изобретение относится к исследованию жидких сред люминесцентными методами и может быть использовано в океанологии и лимнологии для измерения концентрации фотосинтетически активного хлорофилла и фитопланктона, определяющих биологическую продуктивность естественных водоемов.

Цель изобретения - повышение чувствительности определения фотосинтетически активного хлорофилла.

Изобретение основано на результатах экспериментальных исследований, в которых обнаружено, что водные массы моря содержат активньш кислород перекисного типа,локализованньй на фитопланктоне. Закономерности его распределения совпадают с распределением фитопланктона в морских акваториях, например ярко выражена пятнистая мелкомасштабная структура распределения , четкая корреляция с глубиной залегания слоя скачка плотности , вертикальная слоистая перемежаемость, низкочастотные колебания и т. п.

На фиг,1 показана зависимость между интенсивностями хеми- и фотолюминесценции;- на фиг,2 - распределение содержания хлорофилЛа по различным горизонтам глубины моря.

Измерения активного кислорода проводят с помощью хемилюминесцентной реакции Ь+-Р + +h),

где L - хемилюминесцентное вещество; Р - инициатор хемилюминесцентного окисления вещества L; О - окислитель - активньш, пе рекисный кислород локализованный на фитопланктоне; ЦП - продукты реакции; - кванты излучаемого света Интенсивность хе- милюмннесценции пропорциональна концентрации активного кислорода, локализованного на фитопланктоне I

чГо,, где г B-K-CL, Р

const, где В - квантовый выход хе- мштюминесценции; К - константа ско-: рости реакции, L, Р и OxJ - концентрации индикаторных измерительных растворов и регистрируемого активного кислорода соответственно.

Механизм образования активного кислорода, локализованного на фитопланктоне, тесно связан со сложными биоэнергетическими процессами фотосинтеза под действием солнечного света. Хлорофилл, как природный пигмент известен как фотосенсибилизатор при

5

5

8772

соединения кислорода к органическим и неорганическим соединениям с образованием перекисей. Хлорофилл сенсибилизирует, например, переход кис- лорода в активное синглетное состояние по реакции

J + ) - ) + s°,

где Т , триплетное и синглетное состояния хлорофилла, соответственно; 0(Ц} и

0( 4 ё) триплетный и синглетный кислород соответственно. Химически активный синглетный кислород, в свою очередь, образует активные кислородсодержащие радикалы и перекиси.

Такие же радикалы и перекиси возникают в фитопланктоне при фотодина0. мическом образовании хлорофиллом соль- ватированньгх электронов под действием солнечного света..

Таким образом, в процессе сенсибилизированных фотохимических превращений хлорофилла образуется целый ряд свободных радикалов и промежуточных нестабильных перекисей, которые проявляют себя как активный перекис- ный кислород.

Хемилюминесцентный метод анализа является наиболее чувствительным методом определения активного кислорода в водной среде. Присутствующий в воде молекулярный растворенный кислород

5 в хемилюминесценции люминола, люци- генина и их производных соединений проявляет себя пренебрежимо слабо.

Пример 1. Способ реализуют с помощью хемилюминографа, одну из

емкостей которого заполняют растворог хемилюминесцентного (ХЛ) вещества, а другую емкость - раствором инициатора ХЛ окисления. Емкости соединяют с ячейкой, через которую прокачива- ют исследуемую морскую воду. В заданный объем воды ячейки одновременно вводят ХЛ вещество и инициатор его ХЛ окисления из емкостей, после чего с помощью фотоприемника изме ряют интенсивность хемилюминесценции, возникающей в исследуемом объеме при окислении активным кислородом, локализованным на фотосинтетически активном хлорофилле, и по интенсивности хемилюминесценции определяют концентрацию хлорофилла в воде. Б качестве меры содержания хлорофилла выбрана интенсивность его фотолюми0

31

несценции, которую измеряют с помощью флуориметра марки Квант на образцах морской воды, отобранных с помощью батометров. Интенсивность хемилюминесценции, связанной с окислением активным кислородом, измеряют непосредственно в море с помощью погружного проточного хемилюминографа.

В качестве ХЛ вещества применяют люминол, в качестве инициатора ХЛ реакции - соли железа и меди.

Полученная зависимость между измеренными интенсивностями хеми- и фотолюминесценции представлена на фиг.1, где видно, что коэффициент корреляции между значениями интенсивности фото- (1ф) и хемилюминесценции (1уд), связанных с хлорофиллом, близок к единице.

Полученный результат определяет возможность применения предлагаемого способа для определения содержания фотосинтетически активного хлорофилла в природных водах.

Порог обнаружения активного пере- кисного кислорода, локализованного на хлорофилле, определяют на модельных растворах перекиси водорода в морской воде путем последовательного разбавления. Предел обнаружения определяется фоточувствительностью хеми- люминографа и равен г/см , что на четыре порядка величины лучше фо- тслюминесцентного способа.

Пример 2. По примеру 1 измеряют вертикальные распределения содержания хлорофилла по различным горизонтам Глубины моря параллельно с измерениями концентрации молекулярного кислорода методом Винклера. Результаты измерений приведены на фиг.2. Интенсивности фото- и хемилюминесценции приведены в различных масштабах.

Из фиг.2 следует,что концентрации хлорофилла, определенные ХЛ (кривая 1) и фотолюминесцентным (кривая 2) способами, коррелируют между собой хорошо и слабо коррелируют с содержанием молекулярного растворенного кислорода (кривая 3). Этот результат показывает, что в хемилюминесценции основную роль играет активный кислород, вырабатываемый на хлорофилле фотосинтетической клетки фитопланктоном, а не растворенный молекулярный кислород.

74

П р и ,м е р 3. Предлагаемым способом исследуют пространственную горизонтальную изменчивость содержания фотосинтетически активного хлорофил- ла в море путем буксирования измерительного хемилюминографа на глубине 10-15 м. Получают мелкомасштабную изменчивость с пятнистой структурой, являющуюся характерной для распределения фитопланктона и наблюдающуюся при измерении содержания фитопланктона дистанционными и контактными методами измерения.

Этот результат свидетельствует о,

достоверности и применимости предлагаемого способа.

Пример 4. Предлагаемым способом по методике, аналогичной использованной в примерах 1-3, проводят измерения концентрации фотосинтетически активного хлорофилла с применением в качестве ХЛ вещества люцигенина, гидразида фталевой кислоты, гидрази- да нитроаминофталевой кислоты и в

качестве инициаторов ХЛ реакции - соединений хелеза, меди, кобальта, никеля, марганца, серебра и др., а также альбумина, гемоглобина, перокси- дазы. Получают результаты, аналогичные представленным на фиг. 1 и 2. Этот результат свидетельствует о том, что указанные вещества могут быть использованы в качестве компонентов ХЛ реакции для определения концентрации

фотосинтетически активного хлорофилла.

Формула изобретения

Способ определения концентрации хлорофилла в природных водах, включающий возбуждение и измер ение люминесценции исследуемой воды, отличающийся тем, что, с целью

повьш ения чувствительности определения фотосинтетнчески активного хлорофилла, в заданный объем воды одновременно вводят хемилюминесцентное вещество и индикатор его хемилюминесцен1Ц1и, после чего измеряют интенсивность хемилюминесиенции, возникающей в исследуемом объеме при окислении активным кислородом, вырабатываемым на хлорофилле фотосинтетической клетки фитопланктоном, и по интенсивности хемилюминесценции определяют концентрацию в воде хлорофилла.

Фиг.1

1Ф .м.

Редактор П.Гереши

Составитель Н.Зоров

Техред М.Ходанич Корректор В.Бутяга

Заказ 2354/46 Тираж 776 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. г

Изобретение относится к использованию жидких сред люминесцентными методами. Целью является повышение чувствительности определения. При окислении активным кислородом возникает хемилюминесценция. По интенсивности свечения определяют концентрацию хлорофилла. 2 ил. (Л со О1 00