Арт. SensorVial SV-PSt3-20mL-NST
Неинвазивные измерения в различных зонах с использованием SensorVials
Марион Кёстер, Университет Эрнста Морица Арндта, Грайфсвальд, Институт микробиологии, отдел микробной экологии, Германия
В морских экосистемах процессы, происходящие на границе между донными отложениями и водой, во многом определяются активностью бентосных организмов, обитающих в верхних миллиметрах осадка. В прибрежных зонах этот слой отличается высокой биологической активностью и разнообразием: здесь присутствуют высокопродуктивные микроводоросли, бактерии, простейшие и мелкие беспозвоночные.
Фотосинтетическая активность (образование кислорода) и дыхание (потребление кислорода) бентосного сообщества являются ключевыми процессами, определяющими пространственную и временную изменчивость концентрации кислорода на границе «осадок – вода».
В данной работе для исследования распределения кислорода использовались SensorVials со встроенными оптическими кислородными сенсорными полосками. С помощью четырехканального кислородного измерителя OXY-4 mini одновременно проводились измерения в трех различных точках переходной зоны.
Рис. 1. Поверхностные донные отложения пролива Рассовер-Штром (бодденные воды Северного Рюгена, южная часть Балтийского моря). Плотное развитие микроводорослей (преимущественно диатомовых) окрашивает рыхлый поверхностный слой осадка в буровато-зеленый цвет.
Введение
С 1980-х годов для оценки скорости продукции и потребления кислорода в донных осадках все шире применяются кислородные микроэлектроды и микрооптоды с диаметром чувствительного наконечника менее 50 мкм (например, Köster и соавт., 2008). Эти методы успешно используются как в лабораторных, так и в полевых исследованиях.
Однако микропрофилирование является инвазивной методикой, поскольку введение сенсора способно изменить распределение кислорода и нарушить естественную микроструктуру осадка.
Поэтому разработка неинвазивных методов измерения кислорода с высоким пространственным разрешением представляет большой интерес для оценки пространственной и временной изменчивости концентрации кислорода на поверхности донных отложений.
Кислородная сенсорная полоска PreSens (тип PSt3) представляет собой оптический сенсор на основе флуоресценции, встроенный непосредственно в экспериментальный сосуд (рис. 2а). Такая конструкция обеспечивает непрерывное и полностью неинвазивное измерение кислорода в нескольких выбранных областях.
На сенсорной полоске устанавливаются специальные адаптерные кольца (Vial Adapter), каждое из которых имеет отверстие для ввода полимерного оптического волокна (POF), через которое осуществляется считывание концентрации кислорода (рис. 2б). Кольца могут быть размещены в различных точках сенсорной полоски, соответствующих интересующим исследователя зонам образца.
В настоящем предварительном исследовании была оценена пригодность SensorVials со встроенными сенсорными полосками для неинвазивного мониторинга динамики кислорода на границе «осадок – вода» в прибрежных донных отложениях.
Система использовалась в экспериментах с регистрацией изменений во времени для одновременного определения содержания кислорода в различных слоях образца.
Рис. 2. (а) Экспериментальный сосуд с донным осадком и встроенной кислородной сенсорной полоской PreSens (S). (б) Полимерные оптические волокна (F) подключены к адаптерным кольцам (1, 2, 3), расположенным в различных точках сенсорной полоски.
Материалы и методы
Мини-колонки поверхностных эстуарных донных отложений, заселенных микрофитобентосом, были отобраны в проливе Рассовер-Штром (54°33,657′ с. ш.; 13°12,657′ в. д.; глубина 3,5 м) и перенесены в стеклянные сосуды объемом 20 мл, оснащенные вертикально установленной сенсорной полоской длиной 4 см и шириной 5 мм (рис. 2).
После помещения осадка в сосуд добавляли 10 мл насыщенной кислородом солоноватой воды, предварительно профильтрованной через фильтр с размером пор 0,2 мкм, после чего сосуд герметично закрывали.
На сенсорной полоске с помощью винтов точно фиксировали три адаптерных кольца (Vial Adapter) высотой 10 мм с отверстием диаметром около 3 мм для ввода полимерного оптического волокна. Были выбраны три точки измерения: поверхность осадка (0–2 мм), глубина около 1 см в осадке, водная толща примерно в 2 см над поверхностью осадка.
Флуоресцентный сигнал передавался по полимерным оптическим волокнам на четырехканальный измеритель кислорода OXY-4 mini. Регистрация данных осуществлялась каждые 5 минут с использованием программного обеспечения OXY-4-v2_30FB. Инкубацию образцов проводили при температуре 21 °C в режиме чередования света и темноты (12 ч : 12 ч).
Эксперименты с регистрацией во времени
На рисунке 4 хорошо видны изменения концентрации растворенного кислорода на поверхности осадка во время светлой и темной фаз инкубации (зеленая кривая).
В течение 12-часового периода освещения фотосинтетическая активность бентосных микроводорослей приводила к непрерывному увеличению парциального давления кислорода (pO₂). К концу светлой фазы верхние 2 мм осадка переходили в состояние сверхнасыщения кислородом.
Во время последующей 12-часовой темной инкубации интенсивное аэробное дыхание бентосного сообщества вызывало резкое снижение концентрации кислорода: примерно за один час уровень падал от состояния сверхнасыщения до менее 20 % и 40 % pO₂ соответственно. После этого скорость потребления кислорода значительно уменьшалась вследствие наступления субоксических условий.
Интересно отметить, что способность микроводорослей продуцировать кислород после 10 часов пребывания при очень низких концентрациях кислорода (<20 % pO₂) во время темной инкубации не снижалась и полностью сохранялась в следующем световом периоде.
На глубине 1 см донные отложения оставались аноксическими (pO₂ < 1 %) на протяжении всего эксперимента. Несмотря на отсутствие постоянного перемешивания воды над осадком, двигательная активность мелких беспозвоночных на границе «осадок – вода» обеспечивала перемешивание водной толщи в светлый период. В темноте активность животных снижалась, вследствие чего концентрация кислорода уменьшалась медленнее.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки. Полимерные оптические волокна (1, 2, 3), подключенные к многоканальному измерителю кислорода OXY-4 mini, использовались для одновременного измерения концентрации кислорода в трех различных точках встроенной сенсорной полоски. Для освещения образца применялся волоконно-оптический источник света (L).
Валидация метода и перспективы его совершенствования
Предварительные результаты показывают, что SensorVials PreSens могут служить эффективным инструментом для одновременного измерения содержания кислорода в различных зонах природных образцов при проведении экспериментов с непрерывной регистрацией во времени.
Одним из основных преимуществ метода является возможность свободного выбора расположения точек измерения в соответствии с исследуемыми микрозонами, например непосредственно на границе «осадок – вода». Встроенные сенсорные полоски и адаптерные кольца легко адаптируются под особенности конкретных объектов исследования.
В рамках данного исследования количество точек измерения было ограничено тремя, а минимальное расстояние между ними составляло 1 см. Для дальнейших исследований целесообразно использовать: адаптерные кольца меньшего размера (высотой менее 10 мм), экспериментальные сосуды большего объема с более длинными сенсорными полосками.
Кроме того, перспективным представляется применение цилиндров для отбора донных отложений со встроенными сенсорами, которые смогут одновременно использоваться как инкубационные сосуды для непрерывного онлайн-мониторинга пространственных и временных изменений концентрации кислорода в строго контролируемых лабораторных условиях.
