Изучение экосистем бентосной зоны: мониторинга кислорода, pH и CO₂

20 июля 2026 9:40

// Аналитическое оборудование

В статье рассмотрены решения PreSens для комплексного исследования бентосных экосистем. Представлены технологии микропрофилирования, визуализации, анализа поровой воды и неинвазивного мониторинга кислорода, pH и CO₂, позволяющие изучать процессы в донных осадках с высоким пространственным и временным разрешением.

Изучение экосистем бентосной зоны

Дно любого водоема — морского или пресноводного — называют бентосной зоной. Эта экологическая область включает поверхность донных отложений и их подповерхностные слои, формируя разнообразные местообитания. На границе раздела вода–осадок происходит множество биологических, физических и геохимических процессов, что делает эту область особенно интересной для биологических и экологических исследований.

Бентосная зона населена микроорганизмами, растениями и водными макробеспозвоночными, такими как многощетинковые черви (полихеты), ракообразные, насекомые и их личинки. Все эти организмы объединяют под общим названием бентос. Они играют ключевую роль в функционировании водных экосистем: участвуют в разложении органического вещества, служат источником пищи для других гидробионтов и обеспечивают круговорот питательных веществ. Кроме того, бентос способствует удалению загрязняющих веществ из донных отложений и придонной воды.

Как и многие другие экосистемы, бентосная зона испытывает серьезное антропогенное воздействие. В водоемы поступают бытовые и промышленные отходы, загрязняющие вещества и удобрения, а изменения климата и землепользования увеличивают поступление терригенных наносов. Изучение влияния этих факторов на донные организмы необходимо для сохранения экосистем, а сами бентосные сообщества могут служить ранними индикаторами ухудшения качества воды.

Для жизнедеятельности бентосных организмов большое значение имеют мутность придонной воды, количество света, достигающего поверхности осадков, а также уровень pH и содержание кислорода в поверхностных слоях донных отложений. Современные методы измерения этих параметров позволяют получать ценную информацию о потреблении кислорода микроорганизмами, стрессовых факторах для роющих полихет и геохимических процессах, происходящих в этой высокоактивной зоне.

Микропрофилирование

Метод микропрофилирования позволяет исследовать концентрационные градиенты с микрометровым пространственным разрешением. Микросенсоры с миниатюрными чувствительными наконечниками вводятся в донные отложения с заданным шагом при помощи микроманипуляторов. Это дает возможность детально изучать различные слои осадка и границы между ними.

PreSens предлагает специализированные микросенсоры для профилирования и комплекты оборудования с ручными и автоматическими микроманипуляторами, пригодные как для лабораторных исследований, так и для полевых работ.

Такие системы уже успешно применялись в исследованиях бентосных экосистем.

Пример применения:

Динамика O₂, pH и CO₂ в приливных солончаковых водоемах (Salt Marsh Tidal Ponds)

Флуоресцентная визуализация

Другим эффективным методом исследования бентосной зоны является флуоресцентная визуализация. Сенсорные пленки закрепляются на прозрачной поверхности и приводятся в контакт с образцом донного осадка. Считывание осуществляется специальными камерами, что позволяет получать двумерные карты распределения кислорода, pH и CO₂, выявлять биогеохимические градиенты и отслеживать изменение концентраций во времени.

С помощью систем PreSens VisiSens можно также изучать активность крупных донных организмов.

Пример применения:

Динамика нарушений и восстановления бентосных экосистем в условиях изменяющейся прибрежной среды

Неинвазивное определение потребления кислорода

Еще один способ исследования бентосной зоны — определение потребления кислорода в герметичных инкубационных экспериментах. Активность микроорганизмов и донных организмов во многом зависит от количества света, достигающего поверхности осадка, поэтому она чувствительна к последствиям изменения климата и антропогенного воздействия.

Для таких исследований используются оптические сенсорные точки и сенсорные полоски, которые позволяют измерять концентрации на различных глубинах донных отложений и в придонной воде без нарушения структуры образца. Сенсоры крепятся к прозрачным стенкам емкости и считываются снаружи через полимерное оптоволокно.

Эти решения уже применялись для определения биохимического потребления кислорода (БПК) и оценки микробной активности в донных осадках.

Примеры применения

Измерения методом Eddy Covariance

Гидродинамические условия существенно влияют на функционирование бентосной зоны, распределение кислорода и питательных веществ в поверхностных слоях осадка.

Для таких исследований компания PreSens разработала систему OXY Flux — оптический усилитель кислородного сигнала с микрооптодом, обеспечивающий измерения с частотой до 10 Гц. Прибор напрямую подключается к акустическому доплеровскому велосиметру Nortek Vector, что позволяет выполнять неинвазивные измерения методом eddy covariance как в прибрежных морских акваториях, так и в пресноводных водоемах.

Пример применения

Оценка влияния выращивания лосося на состояние бентосной зоны

Анализ поровой воды

При отборе поровой воды из донных отложений важно сохранить естественную структуру осадка.

Для этого используются проточные измерительные ячейки (Flow-Through Cells) со встроенными оптическими сенсорами, позволяющими измерять концентрации кислорода, pH или CO₂ непосредственно во время отбора пробы без контакта с атмосферным воздухом.

Метод успешно применялся для исследования кислорода и pH в различных слоях морских донных осадков.

Пример применения

Оценка влияния потоков pH через границу вода–донные отложения на придонные воды у побережья Намибии

Оптические сенсоры выпускаются в различных исполнениях, включая миниатюрные конструкции, что делает возможными малоинвазивные или полностью бесконтактные измерения. Благодаря этому они идеально подходят для исследований бентосной зоны.

Микропрофилирование донных осадков с помощью оптических микросенсоров

PreSens предлагает полностью готовые комплекты оборудования для автоматического и ручного микропрофилирования, предназначенные для исследования градиентов в колонках донных осадков как в лаборатории, так и в полевых условиях.

Надежные оптические микросенсоры для измерения кислорода и pH вводятся в образец с микрометровым шагом при помощи ручных или автоматических микроманипуляторов, что позволяет получать высокодетализированные профили на границе раздела вода–осадок.

Конфигурации

Комплект 1

измерительный прибор;
автоматический микроманипулятор;
профилирующий микросенсор;
программное обеспечение PreSens Profiling Studio.

Конфигурация для измерения кислорода

Конфигурация для измерения pH

Комплект 2

измерительный прибор;
ручной микроманипулятор;
профилирующий микросенсор.

Конфигурация для измерения кислорода

Конфигурация для измерения pH

Двумерная визуализация пространственно-временных градиентов в донных осадках

Флуоресцентная визуализация с использованием сенсорных пленок позволяет исследовать развитие градиентов концентрации кислорода, pH и CO₂ во времени. Сенсорные пленки устанавливаются на внутреннюю поверхность прозрачных камер или лотков и считываются снаружи камерами VisiSens без нарушения структуры образца.

Двумерное отображение распределения параметров позволяет получать ценную информацию о биогеохимических процессах, активности микроорганизмов и донных животных. Доступны системы для измерения кислорода, pH, CO₂ и многопараметрические системы, позволяющие одновременно регистрировать все три параметра.

Конфигурации

Система визуализации VisiSens + Сенсорная пленка + ПО VisiSens AnalytiCal + адаптерные трубки

Конфигурация для измерения кислорода

Система 2D-визуализации кислорода
Сенсорная пленка для измерения кислорода
ПО VisiSens™ AnalytiCal 1

VisiSens TD + Сенсорная пленка + ПО VisiSens AnalytiCal

Многопараметрическая конфигурация

Неинвазивные измерения в образцах донных осадков

Оптические сенсорные точки могут быть установлены на различных уровнях прозрачных экспериментальных камер и позволяют без нарушения структуры осадка измерять содержание кислорода, pH и CO₂.

Считывание выполняется через полимерное оптоволокно с внешней стороны емкости. Это позволяет определять микробную активность и биохимическое потребление кислорода (БПК) в режиме реального времени.

Сенсоры совместимы как с лабораторными настольными приборами, так и с портативными измерителями для полевых исследований. Многоканальные приборы PreSens позволяют одновременно контролировать концентрации кислорода, pH и CO₂ в нескольких точках.

Возможные конфигурации

Измеритель + полимерное оптоволокно + сенсорные точки + PreSens Measurement Studio 2

Конфигурация для измерения кислорода

Конфигурация для измерения pH

Конфигурация для измерения CO2

Microx 4 + полимерное оптоволокно + сенсорные точки (O₂)

Конфигурация для измерения кислорода

OXY-4 SMA + полимерное оптоволокно + сенсорные точки + PreSens Measurement Studio 2

Конфигурация для измерения кислорода

OXY-1 SMA + полимерное оптоволокно + адаптер для виал + SensorVial + PreSens Measurement Studio 2

Конфигурация для измерения кислорода

OXY-4 SMA + полимерное оптоволокно + адаптер для виал + SensorVial + PreSens Measurement Studio 2

Конфигурация для измерения кислорода

MCR-O1P1C1 + полимерное оптоволокно + сенсорные точки + PreSens Measurement Studio 2

Анализ поровой воды

Проточные измерительные ячейки (Flow-Through Cells, FTC) со встроенными оптическими сенсорами позволяют измерять концентрации O₂, pH или CO₂ непосредственно во время отбора поровой воды из донных отложений, исключая контакт образца с атмосферным воздухом. Ячейки интегрируются в линию отбора проб, а измерения выполняются компактными оптоволоконными приборами.

Измеритель + полимерное оптоволокно + FTC + PreSens Measurement Studio 2

Конфигурация для измерения кислорода

Конфигурация для измерения pH

Конфигурация для измерения углекислого газа

MCR-O1P1C1 + полимерное оптоволокно + FTC + PreSens Measurement Studio 2

Высокоточные измерения кислорода для систем Eddy Covariance

Система OXY Flux разработана специально для измерений методом eddy covariance. Микросенсор с наконечником диаметром 30 мкм практически не нарушает поток воды и обеспечивает высокоточную регистрацию концентрации кислорода непосредственно в точке измерения. Благодаря сменной конструкции сенсор легко заменить при необходимости.