LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Podobné dokumenty
LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů

Vyjádření fotosyntézy základními rovnicemi

SLEDOVÁNÍ VZTAHU MEZI OBSAHEM ENZYMU RUBISCO A KONCENTRACÍ CO 2 V CHLOROPLASTU

Fotosyntéza Ekofyziologie. Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR Laboratoř fotosyntézy v Třeboni

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

FYZIOLOGIE ROSTLIN VÝŽIVA ROSTLIN 1) AUTOTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN 2) HETEROTROFNÍ VÝŽIVA ROSTLIN

FOTOSYNTÉZA. Princip, jednotlivé fáze

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK (ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE)

FOTOSYNTÉZA. Mgr. Alena Výborná Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou VY_32_INOVACE_01_1_07_BI1

INFRAČERVENÁ SPEKTROMETRIE A BIOSLOŽKY PALIV

FOTOSYNTÉZA. CO 2 a vody. - soubor chemických reakcí. - probíhá v rostlinách a sinicích. - zachycení a využití světelné energie

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

Laboratorní úloha Diluční měření průtoku

6. STUDIUM SOLÁRNÍHO ČLÁNKU

Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS

aneb Fluorescence chlorofylu jako indikátor stresu

Ekologie fotosyntézy

Vodní režim rostlin. Transpirace. Energetická bilance listu. Fickovy zákony Hraniční vrstva Kutikula Průduchy

FOTOSYNTÉZA. soubor chemických reakcí,, probíhaj v rostlinách a sinicích. z CO2 a vody jediný zdroj kyslíku ku pro život na Zemi

SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová

Měření fluorescence chlorofylu hedery helix

Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Praktikum III - Optika

Voda jako životní prostředí - světlo

Anizotropie fluorescence

Spektroskopie v UV-VIS oblasti. UV-VIS spektroskopie. Roztok KMnO 4. pracuje nejčastěji v oblasti nm

Šíření tepla. Obecnéprincipy

MĚŘENÍ ABSOLUTNÍ VLHKOSTI VZDUCHU NA ZÁKLADĚ SPEKTRÁLNÍ ANALÝZY Measurement of Absolute Humidity on the Basis of Spectral Analysis

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D. - Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů Katedra elektrotechnologie K13113

Základní parametry absorpčního spektra, vliv přístrojové funkce (spektrální šířky štěrbiny), vliv polohy kyvety a vlastní fluorescence vzorku

Vybrané spektroskopické metody

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Praktikum z pevných látek (F6390)

FYZIKA VE FYZIOLOGII ROSTLIN

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Vodní režim rostlin. Regulace výměny plynů otevřeností. průduchů. Stomatální limitace rychlosti transpirace a rychlosti. Efektivita využití vody

Fotoelektrické snímače

13. Spektroskopie základní pojmy

Chemická kinetika. Chemické změny probíhající na úrovni atomárně molekulové nazýváme reakční mechanismus.

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Základy vakuové techniky

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

25 A Vypracoval : Zdeněk Žák Pyrometrie υ = -40 C C. Výhody termovize Senzory infračerveného záření Rozdělení tepelné senzory

7 Fluorescence chlorofylu in vivo

Absorpční fotometrie

Faktory počasí v ekologii - úvod

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013. Lubomír Nátr. Lubomír Nátr

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

2 Nd:YAG laser buzený laserovou diodou

Světlo jako elektromagnetické záření

Vodní režim rostlin. Regulace výměny plynů otevřeností průduchů. fotosyntézy Efektivita využití vody Globální změna klimatu Antitranspiranty

LABORATOŘ OBORU I ÚSTAV ORGANICKÉ TECHNOLOGIE (111) Použití GC-MS spektrometrie

Měření absorbce záření gama

Fluorescence (luminiscence)

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

FLUORIMETRICKÉ STANOVENÍ FLUORESCEINU

VLIV SPEKTRÁLNÍHO SLOŽENÍ FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍ RADIACE NA INDUKCI FOTOSYNTÉZY TERMOOPTICKÝ JEV

Správa barev. Měřící přístroje. Správa barev. Vytvořila: Jana Zavadilová Vytvořila dne: 14. února

Otázky pro samotestování. Téma1 Sluneční záření

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Pokročilé cvičení z fyzikální chemie KFC/POK2 Vibrační spektroskopie

FOTOSYNTÉZA Správná odpověď:

PŘENOS KYSLÍKU V BIOTECHNOLOGII. Úvod. Limitace metabolismu kyslíkem

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

Fyziologie rostlin - maturitní otázka z biologie (3)

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK

Vybrané technologie povrchových úprav. Základy vakuové techniky Doc. Ing. Karel Daďourek 2006

SKLENÍKOVÝ EFEKT 2010 Ing. Andrea Sikorová, Ph.D.

Fotosyntetický výdej kyslíku

Fluorescenční rezonanční přenos energie

ení k tvorbě energeticky bohatých organických sloučenin

Vodní režim rostlin. Transpirace. Energetická bilance listu Fickovy zákony Hraniční vrstva Kutikula Průduchy

Derivační spektrofotometrie a rozklad absorpčního spektra

DZDDPZ1 - Fyzikální základy DPZ (opakování) Doc. Dr. Ing. Jiří Horák Institut geoinformatiky VŠB-TU Ostrava

1. Proveďte energetickou kalibraci gama-spektrometru pomocí alfa-zářiče 241 Am.

12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

INTERPRETACE HMOTNOSTNÍCH SPEKTER

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

2. Pomocí Hg výbojky okalibrujte stupnici monochromátoru SPM 2.

7. Měření fluorescence při excitaci kontinuálním světlem ( steady-state )

Laboratorní práce č.9 Úloha č. 8. Závislost indexu lomu skla na vlnové délce světla Měření indexu lomu refraktometrem:

Úloha 15: Studium polovodičového GaAs/GaAlAs laseru

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

Příklady biochemických metod turbidimetrie, nefelometrie. Miroslav Průcha

MODELOVÁNÍ. Základní pojmy. Obecný postup vytváření induktivních modelů. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

Projekt FRVŠ č: 389/2007

CW01 - Teorie měření a regulace

Otázky k předmětu Globální změna a lesní ekosystémy

IDENTIFIKACE NEZNÁMÉ ORGANICKÉ LÁTKY POMOCÍ INFRAČERVENÉ SPEKTROMETRIE

8. Hemodialýza. 8.1 Cíl a obsah měření. 8.2 Úkoly měření. 8.3 Postup měření

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

Transkript:

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů 20. dubna 2018 Tato úloha by Vás měla seznámit s gazometrickými metodami stanovení fotosyntetické aktivity rostlin, potažmo s přístrojem LI-6400XT, který v současné době patří k nejpoužívanějším gazometrickým systémům ve fyziologii a ekofyziologii rostlin. Principy měření, vyhodnocení interpretace naměřených parametrů budou demonstrovány na rozdílné asimilaci CO 2 u C 3 a C 4 rostlin. Zopakujte si proto, v čem tkví rozdíl mezi těmito fotosyntetickými typy (viz Fyziologie rostlin, Procházka et al.; názorné video na youtube: https://www.youtube.com/watch?v=hblg4lmpua8; aj.). Úvod List fixuje ve fotosyntéze CO 2, který proudí z vnější atmosféry. Současně ale uvolňuje CO 2 při respiračních pochodech. Na světle u nestresovaného zeleného listu převládá většinou fotosyntéza nad respirací. Budeme měřit bilanci obou procesů, která se nazývá rychlost čisté fotosyntézy (A n) a je vyjadřována jako hustota toku CO 2 na jednotku plochy listu za čas (µmol(co 2)m 2 (listu)s 1 ). Gazometrické metody umožňují měření rychlosti výměny plynů mezi listem a okolní atmosférou. Příjem resp. výdej CO 2 se projeví změnou koncentrace CO 2 v atmosféře obklopující měřený objekt, která je měřena pomocí infračerveného analyzátoru plynů (IRGA). A n je výrazně závislá na dvou faktorech i) intenzitě dopadající radiace (PAR) (tzv. světelná křivka fotosyntézy ) a ii) koncentraci CO 2 v okolní atmosféře (tzv. CO 2 křivka fotosyntézy ). Z těchto závislostí lze stanovit fotosyntetické parametry, které danou rostlinu (list) charakterizují z biofyzikálního a biochemického hlediska. Tato úloha je zaměřené na porovnání rostlin s C 3 a C 4 metabolismem asimilace CO 2. Z naměřených křivek a vypočtených parametrů bude zřetelný rozdíl v jejich mechanismu zabudování CO 2 a využití dopadajícho záření. 1 Princip měření a výpočty 1.1 Princip infračervené analýzy plynů Heteroatomické molekuly absorbují záření při specifických vlnových délkách v infračervené oblasti, přičemž každý plyn má charakteristické absorpční spektrum. Molekuly složené ze dvou identických atomů mají nulový dipólový moment (např. O 2, N 2) a toto dlouhovlnné infračervené záření neabsorbují (tudíž nepřekáží při stanovení koncentrace heteroatomických molekul). Z nejběžnějších plynů a par majících absorpci v infračervené oblasti spektra lze uvést: CO 2, H 2O, NH 3, CO, N 2O, NO, SO 2, HCN, plynné uhlovodíky, všechny vyšší uhlovodíky apod. Hlavní absorpční pás CO 2 je při 4.25 µm s druhotnými maximy při 2.66, 2.77 a 14.99 µm. Jediný plyn normálně přítomný ve vzduchu s absorpčním spektrem překrývající absorpční spektrum CO 2 (společné maximum při 2.7 µm) je vodní pára. Výsledné spektrum je kombinací i

elektronového, rotačního a vibračního spektra. Absorpční čáry pak odpovídají rotaci dané molekuly. IRGA se skládá ze čtyř základních částí: široko-spektrální zdroj infračerveného (IR) záření, asimilační komora, optický filtr a detektor. Přítomnost CO 2 v kyvetě způsobí pokles radiace a snížení výstupního signálu na detektoru. Elektronicky zpracovaný signál je převeden na koncentraci. Optický filtr ohraničuje záření na spektrální pásy, které jsou absorbovány určitými plyny. Obr. 1: Nákres jednoduchého infračerveného analyzátoru plynů (IRGA). Infračervené záření vyzařované ze zdroje (S) prochází přes kyvetu (C), kterou proudí plyn dovnitř (I) a ven (O). Infračervená radiace vycházející z kyvety prochází přes širokospektrální filtr (nejčastěji centrovaný na 4,3µm), a pak je analyzována detektorem (D). Signál z detektoru je zesílen (RA). Jakýkoliv nárůst koncentrace plynu v kyvetě, který absorbuje v IR oblasti, se projeví jako pokles signálu na detektoru. 1.2 Uspořádání otevřeného gazometrického systému LI-6400 Obr. 2 Schématické znázornění toku vzduchu v LI-6400. Vzduch je nasáván membránovou pumpou z vnější atmosféry. Dále prochází kolonami, které jej zbavují i) oxidu uhličitého (CO 2 scrubber) a ii) vodní páry (desiccant). Vzduch je následně upravován na námi požadovanou koncentraci CO 2 přidáváním potřebného množství plynu z externího zdroje CO 2. Před vstupem do asimilační komory, kde je umístěn list, je měřená rychlost průtoku vzduchu. 1.3 Jak přístroj počítá gazometrické parametry? Vše, co je uvedeno v této kapitole, za vás udělá přístroj. Teorie výpočtů je zde uvedena jen proto, aby LICOR pro zvídavé nebyl příliš černou skříňkou. Fotosynteticky aktivní list, uzavřený v komoře, bude pohlcovat CO 2. Známe-li průtok vzduchu komorou F, koncentraci CO 2 ve vzduchu vstupujícím do komory, c I, a ve vystupujícím vzduchu po jeho styku s listem, c O, a plochu listu uzavřeného v komoře (S), můžeme spočítat hustotu toku CO 2 do listu čili rychlost fotosyntézy A n: A n = F (c I c O )/S (1) ii

Dosadíme- li za koncentrace c hodnoty v mikromolech CO 2 na mol vzduchu, za průtok F mol vzduchu za sekundu a plochu listu S v m 2, vyjde A v µmol m 2 s 1 jak je obvyklé. Podobně z rozdílu koncentrací vodní páry ve vystupujícím (w O) a vstupujícím (w I ) vzduchu, z průtoku vzduchu F a plochy listu S přístroj vypočítá rychlost transpirace E: E = F (w O w I )/S (2) Spočtená rychlost transpirace E (obvykle v mmol (vody) m 2 (listu) s 1 ), změřená teplota listu (T l) a koncentrace vodní páry ve vzduchu v listové komoře (w O) nám umožní spočítat vodivost listu pro difuzi vodní páry g l. Vzduch se v komoře intenzivně míchá ventilátorem, a proto jsou koncentrace vody i CO 2 kolem listu rovny koncentracím na výstupu z komory. Díky intenzivnímu míchání vzduchu je také tloušťka nemíchané vrstvy vzduchu nad listem velmi malá, její difúzní vodivost tedy velká a toky vody a CO 2 mezi listem a okolním vzduchem limitují prakticky jen průduchy svojí otevřeností a počtem (průduchy jsou vzhledem k nemíchané hraniční vrstvě umístěny v sérii). Propustnost kutikuly pro vodu i CO 2 je naopak velmi malá, a protože je vzhledem k průduchům paralelně, můžeme vodivost kutikuly zanedbat. Proto budeme vodivost listu g l považovat za totožnou s vodivostí průduchů g s. Vodivost průduchů pro vodní páru g sw tedy je: g sw = E/(w s Tl w O ) (3) kde exponent s značí nasycenou koncentraci při teplotě listu T l. Difúzní vodivost pak vyjde ve stejných jednotkách jako transpirace nebo fotosyntéza ( např. v µmol m 2 s 1 ). Dostupnost CO 2 pro karboxylační reakce je ovlivněna vodivostí průduchů. Protože vodivost není nekonečně veliká, koncentrace CO 2 v atmosféře (c a) je vyšší než koncentrace CO 2 uvnitř listu (c i). Pro studium fotosyntézy v intaktním listu je proto žádoucí odfiltrovat vliv průduchů a znát koncentraci CO 2 v místech za průduchy tj. v mezibuněčných prostorách listu. Známe-li rychlost fotosyntézy (A n) a difúzní vodivost průduchů pro vodní páru (g sw), můžeme vypočítat koncentraci CO 2 uvnitř listu c i: c i = c a (1.6A/g sw ) (4) koeficient 1.6 zde převádí difúzní vodivost pro vodní páru na difúzní vodivost pro CO 2. Výpočty, jejichž princip je výše uveden, za vás udělá (v dokonalejší verzi) fotosyntetický systém LI-6400, který budete používat. 2 Analýza A/C i a světelných křivek Výsledkem gazometrických měření mohou být tzv. fotosyntetické křivky. CO 2 křivka fotosyntézy vyjadřuje vztah mezi koncentrací CO 2 (přesněji koncentrací CO 2 v podprůduchové dutině (c i)) a rychlosti fotosyntézy při dané teplotě a ozářenosti. Obdobný vztah vyjadřují světelné křivky fotosyntézy, tj. vztah mezi ozářenosti listu (resp. chloroplastů) a rychlosti fotosyntézy při dané teplotě a koncentraci CO 2. Všeobecně mají tyto křivky lineární charakter při nízkých koncentracích CO 2 resp. nízké ozářenosti. Se zvětšující se koncentrací CO 2 (resp. ozářenosti) dochází k postupné inflexi křivky. Při vysokých koncentracích resp. ozářenostech dosahují křivky konstantních hodnot, které odpovídají maximálním hodnotám A n ve vztahu ke koncentraci CO 2 nebo ozářenosti. iii

2.1 A/Ci křivky Závislost rychlosti příjmu CO 2 povrchem listu (A n) na koncentraci CO 2 v podprůduchové dutině (c i) bývá označována jako A/c i křivka fotosyntézy. Tato křivka má typický průběh blížící se nerovnoosé hyperbole a můžeme u ní rozlišit několik části. Obr. 3: Závislost rychlosti asimilace CO 2 na koncentraci CO 2 v podprůduchové dutině (Ci). V grafu jsou vyznačeny parametry charakterizující biochemickou aktivitu: Respirace na světle (Rday), CO2 kompenzační bod (Γc), maximální rychlost karboxylace (V cmax) a maximální rychlost asimilace CO 2 Anmax. i) Počáteční lineární část začíná v bodě výdeje CO 2 (R day) při nenulové ozářenosti a nulové koncentraci CO 2. ii) Při zvyšování koncentrace CO 2 dojde k dosažení tzv. kompenzačního bodu (Γ c), kdy příjem CO 2 fotosyntézou je roven výdeji CO 2 respirací, tedy A n = 0. V tomto stavu vůbec neprobíhá výměna plynů, přestože průduchy mohou být zcela otevřeny. Γ c představuje důležitou charakteristiku a je citlivým parametrem pro posouzení fotosyntetické aktivity rostlin. C 3 rostliny dosahují vyšších hodnot Γ c než C 4 rostliny. iii) V další části je závislost lineární. A n je zde limitována dostupností substrátu - tedy CO 2 a aktivitou enzymu Rubisco (Ribulosa-1,5- bisfosát karboxyláza/oxygenáza). Směrnice této lineární části určuje karboxylační aktivitu enzymu Rubisco. iv) Následuje inflexní část. V této hyperbolické části je závislost A/c i nelineární. v) Za inflexní části křivky je A n limitována množstvím substrátu pro karboxylaci - RuBP (Ribuloza-1,5- bisfosfát), které je dáno rychlostí regenerace RuBP v Calvinově cyklu. 2.2 Světelné křivky Světelnou křivkou myslíme závislost rychlosti asimilace CO 2 (A n) na intenzitě dopadající radiace (PAR, μmol (fotonů).m -2.s -1 ). Křivka má opět charakter nerovnoosé hyperboly a můžeme ji rozdělit na několik částí. iv

Obr. 4: Závislost rychlosti asimilace CO 2 na intenzitě dopadající radiace (PAR). V grafu jsou vyznačeny parametry charakterizující biochemickou a biofyzikální aktivitu: Temnostní respirace (Rdark), světelný kompenzační bod (ΓI ), kvantový výtěžek fotosyntézy (AQE) a maximální rychlost asimilace CO 2 A max. i) počáteční hodnota A n světelné křivky určuje temnostní (mitochondriální) respiraci (R dark). Je to množství uvolněného CO 2 při nulové ozářenosti. ii) Při dalším nárůstu ozářenosti dochází k výraznému nárůstu A n až k hodnotě tzv. světelného kompenzačního bodu Γ I. iii) Za tímto bodem křivka získává lineárně závislý průběh v rozmezí intenzit ozářenosti 50-200 µmol m 2 s 1. Stoupání respektive směrnice lineární závislosti A/I je interpretována jako maximální kvantový výtěžek fotosyntézy (φ). iv) Za touto lineární částí můžeme pozorovat inflexi. Míru zakřivení udává parametr Θ. v) Po inflexi pozorujeme mírné stoupání dokud křivka nedosáhne saturační hodnoty fotosyntézy. Tato hodnota je označována jako světelná saturační rychlost asimilace CO 2 (A nmax). 2.3 Matematické modely fotosyntetických křivek Tvar nerovnoosé hyperboly A/C i a A/I křivek poukazuje na enzymatickou podstatu obou závislostí. Pro matematický popis těchto závislostí jsou používány rovnice pro enzymatické reakce, které navrhli Michaelis a Menthonová: v = V max [S] [S]+K m (5) kde v je rychlost pochodu, V max jeho nejvyšší možná rychlost, [S] koncentrace substrátu (v našem případě tedy CO 2 nebo PAR) K m je Michelis-Menthenová konstanta (ta odpovídá koncentraci v

substrátu, při níž enzymatická reakce dosahuje poloviny maximální rychlosti). Obr. 5: Typická závislost enzymatické reakce, ze které vychází matematický popis fotosyntetických křivek. Michaelis- Menthenová konstanta (K m); Maximální rychlost reakce (V max). Pro modelování A/C i křivek byl sestaven následující model: A n = A nmax (c i Γ c ) R c i +K C (1+ O day (6) ) K O kde A nmax je maximální rychlost čisté fotosyntézy, c i je koncentrace CO 2 v podprůduchové dutině, Γ c je CO2 kompenzační bod, K C a K O jsou Michaelis-Menthenové konstanty pro CO2 a pro O2, O2 je koncentrace kyslíku v chloroplastech a R day respirace na světle (nejedná se o fotorespiraci). Při stálé koncentraci kyslíku v atmosféře lze člen K c*(1+o/k O) považovat za konstantu, v případě koncentrace 21% je rovno 245 μmol(co 2)*mol -1. Pozor, tento model lze využít pouze při měření rostlin s C3 metabolismem! Pro rostliny s C4 metabolismem, kde primárně hraje roli PEP-karboxyláza a nedochází ke kompetici mezi CO2 a O2, vycházíme čistě z rovnice pro enzymatické reakce a model bude vypadat následovně: A n = A nmax (c i Γ c ) R c i +K day (7) kde K představuje hodnotu C i, při které je poloviční maximální A n. Pro modelování světelných křivek je možno použít následující rovnici: AQE PAR A nmax An nmax +AQE n PAR n A n = n R dark (8) kde AQE je zdánlivá kvantová účinnost přeměny dopadající radiace, PAR intenzita dopadající radiace, A max je maximální rychlost fotosyntézy, R dark respirace za tmy. Tyto matematické popisy jsou racionálním vyjádřením vlastních experimentálních výsledků, jsou vhodné pro interpolaci naměřených hodnot a umožňují z experimentálních dat odvodit parametry charakterizující biofyzikální a biochemické funkce fotosyntetického aparátu. vi