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1、用4C法 测定海 洋初级生 产力李永祺(山东海洋学院生物系)测定 海洋初级 生产力有好几种 方法,如测氧法、叶绿素法、磷酸盐法、颗粒计算法、测氖法和放射性碳一1 4法等。但就方法的灵敏度、准确性 而言乡用1C法测定水域初级生产力被认为是 最好的方法,尤其 是用来进行 大洋初级生产力的调查 更显出其优越性。因此,用,c测定水域(包括淡水)的初级生产力,已被列为常规的调查 方法。迄 今已有的海洋初级生产力的调 查资料,大多是用14C法测定 的。用放射性4C法进 行海洋初级生 产力 调查,是五十年代初(195 1一1 9 5 2年)丹麦海洋生物学家 斯 蒂曼一尼 尔森( ste em。n n一N i
2、el-s “n ),在丹 麦海洋调 查船“缝甲虾号”(Ga -lat he a)进 行丹麦海域和太平洋初级生产力调查时首先应用的。这个方 法一 问世,立郎引起各国海洋学家的极大兴趣和重视,在很短的时间里就被广泛地采用了。三十年 来,丹麦、美、苏、加拿大、日本和澳大利亚等国 的 学者,不仅用这个方法测定了世界各大洋、许多海域和淡水水域的初级生产力,取得了一大 批可喜的成果,而且在实践 中,这个方 法也得到了进一步改进、充实和完善。尤其是六O年以来,液体闪烁计数装置的 应用,提高了对1C的放射性探测效率,给14C法增添 了新的生命 力。我 国沿海海域辽 阔,水产资源丰富,开展我国近 海、港湾和河口
3、的初级生产力调查,在理论上 和实践上都是很重耍的。本文拟就有关用14c法测定 海洋初级生产力的主耍方法和步骤加以介绍,以期对开展我国海洋初级生产 力的 调查能有所助益。生物大体可归为五大类,郎:大型定生藻类、海洋被子植物、浮游植物、底 栖硅藻和光合作用细菌等。尽管在有些沿岸海域,大型定 生海藻的初级生产力也 相 当可观,但就整个海洋的初级生产力来说,浮游植物是 主要 初级生产者,它所制造的有机物约 占海洋初级生产力的9 5 %。因此,通常所指海洋初级生产力调查,主耍是 指对海洋浮游植物的光 合作用速 度进行狈组 定。用4C法测定 海洋初级生产 力的原理是:浮游植物在进行光合作用时(其化学 反应
4、式光 为:6COZ+12 H2O 一一-今 色素接受器C6H12O6+602+6HZo)将e oZ吸收进细 胞 内,并合成有机物。如果在含有浮游植物 的测定瓶内,加入已知放射性强度的示踪量H14C O三,经过一定时间的光照 培育,然后将 浮游植物收集在滤膜上,测定其 放射性强度。那么,由于水样中CoZ的量已知,则根据碳被浮游植物所同化 的总 量和C被同化的量之间成正比 的关系,郎可计算出浮游植物的初级生产力。二、仪器和试剂原理在海洋(包括河口)中,能行光合作用 的所需的仪器如 下:1。黑白瓶。用容积为13 0m l具有毛玻璃塞和 喇叭口的优质透明玻璃瓶 为测定 瓶。在使用前应先用酸洗过,并用蒸
5、馏 水彻底 洗过。硅盐渗透率高的玻璃瓶,以及含磷的洗涤 剂不能使用。透明瓶为白瓶。将透明瓶 涂上黑漆,包上黑布或再包 一层铝箔郎成黑瓶。2。浮标、绳、支架和挂黑、白瓶用的扩张器,或水族箱。一51一3.2 5 mm直径、孔径为4.5林的滤膜,以及过滤装置。4。测定放射性强度的计数设备:具有端窗(钟罩式)管的定标器,气流式检测器,或者液体闪烁计数器。5.具有1 0一zsem长 针头 的,2 m l或2m l容积 的皮下注射器。6.烟气室,郎盛有浓盐酸 的干燥器。7。非金属采 水器。8。不透光、带格 的箱子。9.质量好的、薄的橡胶管子。1 0。测定光 强、温 度、盐度、PH值和碱度 的仪器。本方法所
6、需试剂如下:1)无载体的放 射性碳酸盐(NaH4Cos)溶液。国外 有专供进行初级生产 力测 定的4C溶液出售(装在安培瓶中,每 瓶放射强度约5林C i加l ),但价格较贵。我们 可用国产的l C。由于 目前国产的4C每瓶放射性强度 为1mc i或大于1mc i,所以 在购进同位素后耍根据工 作需要加以稀释、分装成每 瓶含3一5此i /m l,以备使用。郎将 放射性母液配制成放射性工作液。工 作液放 射性 强度该是多大,这耍依浮游植物 的光合 作用速 度,以 及期望得到的光合作用产额而定。这大致可 按下式 计 算:富营养水域用1林Ci郎可。稀释放射性母液的溶液,其配法简单,郎在用分析纯的盐和蒸
7、馏水配 制而成的1升5%盐溶液(PH11.3)中,加入0.39无水Na:Cos和0.29Na0H自日成。2)中性福 尔马林。3)过滤海水。取 与被测水样同一水层 的海水,经 过滤郎成。用于洗涤滤膜上浮游植物吸附 的工4C。4)测定海水C OZ浓度的试剂。5)压缩NZ或空气。6)闪烁液,其 配制 方法是。1009蔡,7 g2,5一二苯基嗯哇(P P O),0.391,4一双一2一(5-苯基嗯哇基)苯(PO P OP)溶于1升二嗯 烷(保证试剂)中郎成。三、刚定步 骤A二Rs(EXUXN)式 中:A为需耍加入的4c放射 性强度(林Ci);R。为样品的每分钟 计数( CPM ),为了得到满意结果,C
8、PM应大 于1,000;U为预计每小时每立方米水 中碳被吸收 的量(mgC/m”/hr);E为计数效率;N为培育(郎光照)的时数。通常,对于 大洋水域,A大约用2 5林C i为宜,近海 中等生产水域用5林C i,而对于沿岸和1.用非金属采水器取 水样。为 了测定整个透 光层的初级生产力,至 少耍取5个不 同水深的水样。水样应 过滤,去除浮游动物。采取水样的数量,除了进行1 4C测定用外,还应 包括C OZ的含量、温度的测定、洗涤滤膜、以及浮游植物的定性和定量用。2。每个水 层要用3个130m l玻 璃瓶(2个白瓶、1个黑瓶)。在避光 的条件下,每个瓶分别加入1 00m l的水样,并立郎将水样放
9、进 不透光 的暗箱中,一 直到各水层的水样都取齐为止。注 意做好记号,避免弄错。3.将水样灌满另一个带螺帽的聚乙烯瓶到水满 出为止,以测 定碱度和PH值。要 避免阳光晒,把水样赊于冰箱内,耍尽可能快地测定水样的碱度 和PH值。4.在每个深度的水 样取完毕后,打开暗箱,取 出黑白瓶,在每个瓶中分别注入lm l已知放射性强度 的NaH咭CO3溶液。注入的方法是:先打开含4C的安培瓶,吸满注射器以去除注射器中的气泡,将注射针插入黑(白)瓶底部,缓慢地将4C溶液注入,立郎盖好盖。耍小心操作,以防放射性 同位素污染。工作人一5 2一员应戴手套、口罩,穿工作服,防止14C吸入人体。已加入4C的瓶耍做记号,
10、防止重复加入或漏加。各瓶的培育时间,以4C注 入中间水深的瓶开始计算(此时为。时刻)。5。将每个瓶的瓶口封牢(可用橡皮筋或白色尼龙细绳绑扎 牢),轻轻地混合,来回颠倒水样数次。6。水样的曝光,有 两种办 法。一是现塌曝光。郎将已加入14C的黑、白瓶再放入取水样的水层接受自然光 照。办法是:在黑暗处迅速地将瓶绑在各水层 的扩张器(或支架)上,黑瓶在中央,白瓶在两端。然后将扩张器绑扎在垂直于海中的主绳上,主绳的顶端悬挂漂浮的装置(塑料球或浮筒)。注意 不耍使水面漂浮装置遮住表层黑白瓶的阳光。立是船上曝光。郎将已加入1略C的黑、白瓶悬挂在水族箱中,水族箱盛流动海水,用 人造光源,光 照强度参照不同水
11、层 的光线强度而 加以调 节。也可将黑、白瓶置放于白色的塘瓷盘里,根据不同水层的光线强度,用纱布遮盖瓶,在 甲板上接 受日光照射。另外,也可在实验室内进行模拟试验。7.曝光的时间通常为4一6小时,从日出到中午,或从中午到日落。一般来说,选择从上午9点到下 午3点 为宜。8。曝 光完毕,将瓶取下。为了不让瓶里的浮游植物继续进行光合作用,应尽可能快地将瓶放入避光 的箱里,或者在瓶里加 入1 m l中性福 尔马林液。将瓶放进暗箱里,浮游植物还会进行一些光合作用;加 入福 尔马林液,会引起某些浮游植物细胞的破裂,影响计数。因此,最好是立郎过滤水样。曝光 结束的时间,以解下中等水 层瓶计算。9。从每个瓶
12、取出定量水样过滤。需过滤水样的数量由浮游植物密 度所决定。在贫营养水域,耍过滤1 0om l,中等营养水域过滤5 0m l,而在富营养水域过滤1 0ml郎可。如用定标器端窗计数管进行放射性测 定,更应注意过滤水样的数量,以免由于浮游植物过多地堆积在滤膜上,而需进行复杂的自吸收校 正。过滤水样通常从表层水样开始,要尽可能快地将水样转移到过滤装置。要调节好过滤装置的真空气压,防止由于气压过大而引起浮游植物细胞的破裂。过滤耍在暗的条件下进行。1 0。水样过滤完毕后,立郎用1 0m l过 滤海水洗涤。然 后用镊子 小心 地取下滤膜,放在小碟上。在室温条件下让其干燥数 小时,再放在浓盐酸气 中1 0 分
13、钟,以去除滤膜上晓余的无机lC,接着便可进行放射性测定。如用定标器钟罩管测定,样品需干燥;如用液闪测定,样品不 必干燥。n.滤液经酸化后,将细橡皮管通入滤液的底部,通入NZ或空气,以去除滤液中残余的无机C。测定滤液中由于浮游植物细胞破 裂和分泌出的有机物王4C强度。1 2。放射性测定。如用定标器钟罩计数管测定,耍注意样品的几何位置,自吸收校 正,以及测量时间等问题。如用液体闪烁装置进行测定,其 方法是将带有浮游植物的滤膜放入计数瓶内,然后加入1 0m l或1 5m l的闪烁液郎 可进行放射性测定。耍注意在闪烁液中的溶解情况,色素效应和 碎灭等问题。13.计算。按以 下公式计算郎得 浮游植物净光
14、合作用速度,以每小时每立方 米水体中产生的毫克碳数 表示(mgC/m“/hr)。P(Ra一Rb)xwxl.05 /(R。xH ) 式中:P为浮游植物净光合作用速度,以mgC/m“/h r表示。Ra为样品的净放射性强度,郎经过自吸收或碎灭校正和扣除本底数;包括滤膜和滤液所测得的放射性强度。以dPm表示。Rb为黑瓶的放射性强度。以dPm表示。W为水样中C OZ的总重 量。以m g表示。1.0 5 为同位素效应校正 系数。R:为加入的14C放射性强度。以d Pm表示。H为曝光 的时间。以小时表 示。1 4。根据不同水 层初级生产力的测 定结一53一果,经积分,换算出每平方 米水柱浮游植物的初级生产力
15、。由于浮游植物的光合 作用强度,因时、光 和季节等因素而 变化,所以 如果耍换算出天、月和年所测站 位的初级生产力,必须在一天 内连续进行上述测 定试验,如从上午6点到 1 0 点,1 0点到到下午2点“二,求得每段时间的初级生产 力,然后经计算得 出一天 的初级生产力。而每月和每年的初级 生产力,则耍选择不同日期、月份进行初级 生产力测定,然后经计算而得。四、校正因素用放射性4c测 定海洋初级生产力,虽 然是个好的方法,但若对影响测定结果的因素注意 不够,那 么也 将造成较大 的误差。斯蒂曼一尼 尔森在发明此 方法时,有几个假设的条件,郎:1.4C被浮游植物吸收 和同化的速度 与“C一样;2
16、。14C进入浮 游植物细胞 内仅仅通过 光合 作用的途径;3。已同化的4C没 有被排泄 出细胞 外;4。在浮游植物行呼吸作用的 过 程中没 有 丢 失已同化的14C。事实 上,上述四个假设条件是 不符合实际情况 的。首先,关于同位素效应 问题。理论上计算,4CoZ的分子量 耍比“C OZ重4.5%。因此,浮游植物同化4coZ的速 度将比Zc oZ慢。一 些试验结果表明,浮游植物对透CoZ的同化速度要比“C OZ约慢5%一1 5%,这依浮游植物的种 类和环境 条件而异。目前,同位素效应的校 正系数,有的学者 采用工.0 5(郎5%),有的学者采用1.0 6(郎6%)。其次,许多试验表明,浮游植物还可通过非光合 作用途径吸收4C。斯蒂曼一尼 尔森 报告,非光合 作用同化的4c,大约占光饱和时浮游植物吸牧4C总 量的1%。还曹有报 道,当严重缺氮时,在暗的条件下同化的4C可 占光 培养的3 7 %。较多的资料 表明,表层 水自然浮游植物的种群,在暗条件下所固定 的4c约占光合作用固定1 4C的百分率,在深水
