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

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

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

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK (ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE)

INFRAČERVENÁ SPEKTROMETRIE A BIOSLOŽKY PALIV

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

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

6. STUDIUM SOLÁRNÍHO ČLÁNKU

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

Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS

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

FOTOSYNTÉZA. Princip, jednotlivé fáze

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

Laboratorní úloha Diluční měření průtoku

aneb Fluorescence chlorofylu jako indikátor stresu

Měření fluorescence chlorofylu hedery helix

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

Voda jako životní prostředí - světlo

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

Praktikum III - Optika

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

Základy vakuové techniky

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

Anizotropie fluorescence

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

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

13. Spektroskopie základní pojmy

Šíření tepla. Obecnéprincipy

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

Světlo jako elektromagnetické záření

Vybrané spektroskopické metody

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

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

Absorpční fotometrie

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

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

FYZIKA VE FYZIOLOGII ROSTLIN

Fotoelektrické snímače

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

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace

Faktory počasí v ekologii - úvod

Fyzika IV Dynamika jader v molekulách

2 Nd:YAG laser buzený laserovou diodou

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

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

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Fluorescence (luminiscence)

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

Měření absorbce záření gama

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

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

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

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

Otázky pro samotestování. Téma1 Sluneční záření

Ekologie fotosyntézy

Pokročilé cvičení z fyzikální chemie KFC/POK2 Vibrační spektroskopie

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

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

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

FLUORIMETRICKÉ STANOVENÍ FLUORESCEINU

7 Fluorescence chlorofylu in vivo

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

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

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK

Derivační spektrofotometrie a rozklad absorpčního spektra

Využití UV/VIS a IR spektrometrie v analýze potravin

VLIV SPEKTRÁLNÍHO SLOŽENÍ FOTOSYNTETICKY AKTIVNÍ RADIACE NA INDUKCI FOTOSYNTÉZY TERMOOPTICKÝ JEV

PŘENOS KYSLÍKU V BIOTECHNOLOGII. Úvod. Limitace metabolismu kyslíkem

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

Příklady biochemických metod turbidimetrie, nefelometrie. Miroslav Průcha

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

Fluorescenční rezonanční přenos energie

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

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

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

IDENTIFIKACE NEZNÁMÉ ORGANICKÉ LÁTKY POMOCÍ INFRAČERVENÉ SPEKTROMETRIE

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

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

12-Fotosyntéza FRVŠ 1647/2012

Viková, M. : ZÁŘENÍ II. Martina Viková. LCAM DTM FT TU Liberec, (hranol, mřížka) štěrbina. Přednášky z : Textilní fyzika

3.5 Ověření frekvenční závislosti kapacitance a induktance

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ

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

Stručný úvod do spektroskopie

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

DYNAMIKA PROMĚNLIVOSTI KONVERZNÍHO FAKTORU ZA TYPICKÝCH DNŮ

2. Pomocí Hg výbojky okalibrujte stupnici monochromátoru SPM 2.

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

Transkript:

LI-6400; Gazometrická stanovení fotosyntetických parametrů May 2019 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 ) ii) koncentraci CO 2 v podprůduchové dutině (Ci) (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 (homoatomické) 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 i

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 elektronového, rotačního a vibračního spektra. Absorpční čáry pak odpovídají rotaci dané molekuly. IRGA (=InfraRed Gas Analyser) se skládá ze čtyř základních částí: široko-spektrálního zdroje infračerveného (IR) záření (S), asimilační komory (C), optického filtru (F) a detektoru (D). 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? Aneb kapitolka pro zvídavé 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. ii

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) 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 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 iii

odpovídají maximálním hodnotám A n ve vztahu ke koncentraci CO 2 nebo ozářenosti. 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. 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. kompenzační koncentrace (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. Obr. 3: Závislost rychlosti asimilace CO 2 (A, μmol(co2)*m -2 *s -1 ) na koncentraci CO 2 v podprůduchové dutině (Ci). V grafu jsou vyznačeny parametry charakterizující biochemickou aktivitu: Respirace na světle (Rday), CO2 kompenzační koncentrace (Γc), maximální rychlost karboxylace (V cmax) a maximální rychlost asimilace CO 2 A max. 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

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 (AQE). 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). Obr. 4: Závislost rychlosti asimilace CO2 na intenzitě dopadající radiace (PAR). V grafu jsou vyznačeny parametry charakterizujícíbiochemickou a biofyzikální aktivitu: Temnostní respirace (Rdark), kompenzační ozářenost (ΓI ), kvantový výtěžek fotosyntézy (AQE) a maximální rychlost asimilace CO2 (Amax). 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 (Km); Maximální rychlost reakce (Vmax). Pro modelování A/C i křivek byl sestaven následující model: A n = A max (c i Γ c ) R c i +K day (6) kde A max je maximální rychlost čisté fotosyntézy, c i je koncentrace CO 2 v podprůduchové dutině, Γ c je kompenzační koncentrace CO2, K představuje hodnotu C i, při které je poloviční maximální A n.a R day je míra respirace. Pro modelování světelných křivek je možno použít následující rovnici: A n = AQE PAR A max AQE PAR+A max R dark (7) kde AQE je zdánlivá kvantová účinnost přeměny dopadající radiace, PAR intenzita dopadající radiace, A max je maximální rychlost fotosyntézy, R dark respirace za tmy. Kompenzační radiace (Γ I) pak může být vypočítána podle rovnice č. 8: R Γ I = dark A max (8) AQE (A max R dark) 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