光合活性分析仪在环境监测中的应用

前言

植物作为光合生物，无论是陆生的花草树木还是水生的挺水植物（如荷花、香蒲）、浮水植物（如绿萍、满江红）、浮游植物（如微囊藻、甲藻），都是靠光合作用提供自身生长所需的能量的。换句话说，光合作用是植物生长最基本的生命特征指标。

目前分析光合作用的仪器主要有两大类，一类是分析光合放氧或CO2感知的，另一类是利用叶绿素荧光分析植物光合活性。前者常用于农业上农作物或大型植物的分析，在水中由于O2和CO2除藻类外还存在很多影响因子（如温度变化，风力元素等等），其数据应用时偏差非常大。而光合活性由于是直接测试叶绿素荧光，所以有效避免了这个缺点。由于植物在不同环境状态下的光量子产率（光合活性）不同，这使得光合活性成为研究植物生长条件和影响因子的有力工具。

一、光合活性分析仪原理

☆这个是光合作用的原理图（光合活性主要是分析光反应阶段（PSII）的情况）

光合活性一般采用叶绿素荧光的变化来反映。打开饱和脉冲时，本来处于开放态的电子门将该用于光合作用的能量转化为了叶绿素荧光和热，F（荧光值）达到最大值。

经过充分暗适应后，所有电子门均处于开放态，打开测量光得到Fo，此时给出一个饱和脉冲，所有的电子门就都将该用于光合作用的能量转化为了荧光和热，此时得到的叶绿素荧光为Fm。根据Fm和Fo可以计算出PS II的最大量子产量Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，它反映了植物的潜在最大光合能力。

在光照下光合作用进行时，只有部分电子门处于开放态。如果给出一个饱和脉冲，本来处于开放态的电子门将该用于光合作用的能量转化为了叶绿素荧光和热，此时得到的叶绿素荧光为Fm’。根据Fm’和F可以求出在当前的光照状态下PS II的实际量子产量Yield=ΦPSII=ΔF/Fm’=(Fm’-F)/Fm’，它反映了植物目前的实际光合效率。

二、市售光合活性仪类型

目前，市售的可以测定光合活性的仪器大致可以分为探头型、实验室型、便携型三类。已有产品以WALZ公司的PAM系列最为成熟，当然强大如中国的研发团队也有自己的“自主研发”产品（如中科院最新研制的藻类光合作用活性原位测量仪）。

☆PAM荧光成像仪（可以做每个点的光合作用和荧光成像，理论上用这个就能分辨藻的死活）

☆这款是朗石的叶绿素荧光探头，一个原理的（能实时读水下的叶绿素荧光信息，了解不同水层的情况，不过由于探头大，很难放进小的容器里，也就不能测多个地点的样品了，除非你跑到当地去）

☆这款是WALZ的便携式叶绿素荧光仪（我们当时为了做水华的原位研究买的，优点是无损，可以做大批样品，分析速度很快，缺点是不能做水下的，只能分层取样测试。）

类似的产品还有很多，不一一例举了。

三、光合活性仪操作

光合活性的测试相对于仪器设计来说可谓相当之简单。探头型的只要把探头扔下去，连上电脑，按照既定的软件程序就行。实验室型的和便携式的也类似，光化光的控制主要通过软件来实现。下面我们看下我们实验室的光合活性仪器的操作。

☆首先，检查仪器连接。连接比较简单，把对应的线按照标识查到串口中即可。注意一一对应就行

☆连接完的仪器是这样的。为避免接口处损坏，连好后的仪器我们一般不把线拆下来了，每次都是带线装箱。这样一来需要使用的时候也比较省时间

☆接着，取出样品杯（进口的比色杯，曾经也用过国产的，但还是有差距的，尤其是比色杯底部的做工）

☆移取适量样品。取样必须有代表性，一般摇匀后取样，也可以在有代表性的点位现场从水域中移取。（取样量多少与结果差异不大，但不能太少，我们一般取1-3ml）

☆将样品移入ED检测器。

☆打开电源，点POWER即可，此时边上的指示灯亮起。ED检测器的红色指示灯也随之亮起。

☆盖上盖子后，点击绿色的检测预备按钮，此时检测器处于联通状态。

☆打开PhytoWin软件进行操作

☆选择对应的检测器（我们这里是ED检测器）

☆打开软件后的界面，此时我们看到荧光值Ft非常低，说明这个样品的生物量不大，需要调节信号强度来获得比较可靠的信息。

☆点击GAIN调节最适信号强度。

☆在Settings窗中设置Meas. Freq.为2

☆切换到Channels窗，点击SAT-PULSE，测量光合活性。

☆结果如图所示，只要看yield就行。Chl为叶绿素浓度。图中显示样品基本为硅甲藻、硅甲藻活性0.37。蓝藻基本没有活性，可能是背景干扰。这里仪器是区分不同藻的，显示不同藻的光合活性，不过前提是你以水体中的优势藻种作为参考标准，否则显示会不准。

四、光合活性仪在环境监测中的应用

随着研究的深入，光合活性仪不单单在高校等研究机构用于科研，在环境监测的现场和实验室我们也常能看到这个仪器的身影。

1.水华发生发展判断

水华监测是环境监测部门的重点任务之一。这一点在太湖蓝藻爆发后尤其得到重视。目前还没有一种非常有效预知水华走势的预测技术。神经网络模型虽然在一定程度上能对未来的趋势做出判断，但从系统论角度，其应用受到很大局限，特别是其模型的不可见性以及分析指标的不完整性，大大增加了预测失误的比率。而光量子产率作为光合作用的一个直接特征指标，在很大程度上提前决定了藻类增殖量的走势，所以未来其可能作为判断水华发展的主要辅助指标之一。这点在我去年的一个原创中已经隐约有所体现了。

2.藻种室管理

既然光合活性是藻类光合作用的一个直接特征指标，那么其高低也就直接反应了现时的一个藻类生存状态。如果其较正常偏低，则说明可能存在某种胁迫因素（种内竞争、种间竞争、营养盐胁迫、环境因子胁迫等等）

3.典型水华藻的最优环境分析

对于水华藻，不同的藻种有着不同的生理习性，从而适应不同的环境。换句话，环境的改变可能对某些藻产生胁迫作用，此时其光合活性值一般就会降低。所以我们可以在实验室条件下去模拟野外环境，通过光合活性变化来得到某种水华藻的最优生长条件或环境适应条件（这点也可以用在育种中）。

4.环境因子对藻类的胁迫作用

这个和上面有所类似，就是将藻至于不同的环境胁迫条件下，观察其变化，以确定该藻对某种胁迫的耐受性。

5.化学污染物对藻类胁迫作用

和环境因素对藻类的胁迫一样，当藻类遇到化学污染物超过一定阈值时，化学物质可能对藻类的光系统II中的某些部件造成影响，从而影响电子传递。体现在光量子产率上就是光合活性降低。而这种降低显然要大大早于藻类的叶绿素含量或者藻细胞数量的变化。利用这个原理，我们可能将藻类生长抑制试验所需要的时长大大缩短。

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