[发明专利]基于叶绿素荧光的浮游植物光合速率快速检测方法

说明书

技术领域

本发明属于环境科学领域，具体涉及一种基于叶绿素荧光的浮游植物光合速率快速检测方法。

背景技术

浮游植物是自然水体初级生产者，其光合组织虽然不到全球总植被生物量的1％，但其生产力约占总植物生产力45％，光合固碳量占全球总固碳量40％^[1]，对维持水体生态系统的正常运转至关重要。近些年随着我国水质富营养化程度加剧，浮游植物过量繁殖，水华和赤潮灾害频发，特别是自20世纪70年代以来，水华和赤潮发生频率以每10年增加3倍的速度不断上升，已经严重危害生态环境，极大地影响了渔业、旅游业、水产养殖业的发展，实时快速监测浮游植物的生长潜能是预测、防治水华和赤潮灾害的关键。浮游植物光合速率是其生长潜能和光合作用状态的指示剂，实时快速测量浮游植物光合速率对研究水体初级生长力、防治水华和赤潮灾害具有重要的现实意义。

目前，浮游植物光合速率是通过测量光合作用过程中反应物消耗速率或产物生成速率间接获得，包括光合放氧测定法、CO₂吸收测定法和有机物积累分析法等。然而，这些传统光合速率分析方法大多采用现场采样后离线分析方式，测量周期长、效率低、时效性差且手续繁琐。更为重要的是传统方法离线分析过程已经改变浮游植物生长环境，影响了浮游植物生理状态，只能获得实验模拟环境下的光合速率，难以对自然条件下浮游植物光合速率进行快速准确测量。

发明内容

针对浮游植物光合作用状态和生长潜能的实时快速监测需求，本发明从光合作用能流角度出发，以叶绿素荧光作为浮游植物光合作用的探针，利用可变光脉冲诱导叶绿素荧光，分段研究浮游植物光合作用能流过程，获取主导光合作用能流效率的光合参数，建立基于叶绿素荧光的光合速率的定量分析方法，实现浮游植物光合速率的实时快速检测，为发展现场原位测量技术提供方法基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于叶绿素荧光的浮游植物光合速率快速检测方法，包括以下步骤：

(1)设计快速可变光脉冲激发策略，实现光合作用能流过程的分段

浮游植物细胞经暗适应后，参与Calvin循环的几种酶失去活性，重新照光后需要经过一个光合诱导期才能正常运行；在光合诱导期内，所有的电子受体均可以接收电子被还原，却不能及时给出电子被氧化，存在一个单电子周转期，不同电子受体单周转的周期不同；在单周转期内，强光照射促使能够接收电子的电子受体数快速减少至零，电子传递链被阻塞，叶绿素荧光快速上升至最大；单周转期后，电子受体再氧化给出电子，叶绿素荧光开始弛豫下降；

Q_A、Q_B和PQ单周转周期分别为100μs、1ms和10-20ms，是电子传递链中的容易产生电子阻塞的三个电子受体，本发明采用快速可变的光脉冲作激发光源，通过调节光脉冲振幅、频率、占空比和激发时序，设计不同的激发策略，选择性还原Q_A、Q_B和PQ，获取不同诱导模式下的叶绿素荧光动力学曲线；

①Q_A饱和快相荧光动力学曲线

在不造成光损伤的情况下，采用占空比大的高强度快速光脉冲，在Q_A单电子周转内产生足够高的能量累积，将其全部还原，打断光合作用的电子传递链，获得Q_A饱和快相荧光动力学曲线，该曲线仅与Q_A之前光合能流过程有关；

②Q_B饱和快相荧光动力学曲线

Q_A单周转期后，电子向后传递给Q_B；通过降低脉冲光瞬时光强和占空比，在Q_B单周转期内使Q_A发生更多氧化还原反应，将电子传递到Q_B，将其全部还原，阻塞电子传递链，获得Q_B饱和快相荧光动力学曲线，该曲线仅与Q_B之前光合能流过程有关；

③PQ饱和快相荧光动力学曲线

再次降低脉冲光瞬时光强和占空比，在PQ单周转期内使Q_B发生更多氧化还原反应，将电子传递到PQ，将其全部还原，阻塞光电子传递链，产生PQ饱和快相荧光动力学曲线，该曲线取决于PQ之前光合能流过程；

④PQ饱和弛豫荧光动力学曲线