植物初級生產力約占全球碳固定的一半。目前初級生產力的測量方法主要為兩種：

衛(wèi)星遙感：

在盡可能廣泛的空間和時間尺度上運作

測量的PhytoPP誤差較大

14C示蹤法

最廣泛使用的直接評價PhytoPP方法

操作的空間和時間尺度有限，導致極端欠采樣

Chelsea Technologies的LabSTAF系統(tǒng)是在NERC資助的OCEANIDS計劃（NE/P020844/1）中開發(fā)的。開發(fā)下一代更小、更節(jié)能、可部署的STAF系統(tǒng)在歐盟資助的海洋傳感技術（TechOceanS）方案內仍在繼續(xù)進行。我們目標是發(fā)展以STAF為基礎的工具和方法來評估PhytoPP，與使用14C示蹤劑方法相比，可以在更寬的空間和時間尺度上實現(xiàn)PhytoPP，并具有相當?shù)臏蚀_度和精密度。

本文的目的是概述STAF熒光儀系統(tǒng)作為在空間和時間尺度上測量PhytoPP的平臺，大大緩解了現(xiàn)有的采樣不足問題。

目標平臺包括：

科考船上的實驗室及航行系統(tǒng)（LabSTAF）
大型自動駕駛平臺，包括AutoSub LR和AutoNaut（AutoSTAF）
小型自主平臺、滑翔機及Argo浮標（下一代STAF測量系統(tǒng)）

對于PhytoPP評估：

所有STAF系統(tǒng)的高動態(tài)范圍（從極端寡營養(yǎng)到中營養(yǎng)）
高度自動化，基于STAF的PSII光化學通量（mol electrons m ^-3-3 s^-1）測量
通過14C固定驗證的STAF方法（mol C m^-3-3 s^-1）

總體目標：

盡量減少使用STAF生成 PSII光化學通量值時產生的誤差
  增加我們對決定因素Φ^e,C 的理解

STAF基礎測量

圖1  所有的STAF儀器都采用了單周轉（ST）方法，通常使用100 μs的LED 脈沖來使PSII光合作用達到飽和。被測量的樣品體積小于總量的5%（10~20 ml）。被動式樣品交換允許高測量頻率，并在極端寡營養(yǎng)條件下提供高質量的數(shù)據(jù)。

在圖1中，F(xiàn) _v 是 “可變”熒光。F_o 和F_m分別是可變熒光的“初始 ”和“最大”熒光水平。σPII是PSII光化學的吸收橫截面。在光照照射下，分別相當于Fq'、F'、Fm'和σPII'。盡管沒有單位，但所有由STAF系統(tǒng)報告的熒光（F）值都是在校準的基礎上。報告的σPII值單位為nm    ^-2 PSII^-1。

FLC生成rP-E曲線

熒光光曲線（FLC）包括在黑暗和飽和光之間的幾個光合輻照度水平上進行的一組自動STAF測量。FLC生成的數(shù)據(jù)集可與基于14C示蹤劑的光合作用光子輻照度（P-E）曲線相媲美。

圖2 第一步數(shù)據(jù)處理生成相對光合作用光子輻照度（rP-E）曲線，其中rP值為入射光子輻照度與PSII光化學效率（ΦPII'）的乘積。無量綱ΦPII'的值由Fq'/Fmc'算出。這里的報告rP單位為μmol photons m-2 s-1，表示PSII光化學通過1 m2σPII'的速率。

Fmc'中的“c”下標表示已應用基線校正（參見校正要求）。

一系列其他的STAF衍生的參數(shù)是由RunSTAF在FLC層面產生。在這個例子中，F(xiàn)m'和τt'是由rP繪制。Fm'的下降通常伴隨了PSII光化學的下調情況。τt' 時間常數(shù)跟蹤PSII光化學的周轉時間，報告單位為μs。

每PSII或每單位體積光化學通量

假設每個PSII光化學事件導致一個電子從氧轉移到質體醌，rP的SI單位為mol electrons m-2 s-1。STAF系統(tǒng)允許將rP值轉換為PSII光化學通量。每PSII光化學通量的SI單位為electrons PSII-1s-1，定義為JPII。每單位體積（海洋或其他介質）的光化學反應的SI單位為mol electrons m-3 s-1，定義為JVPII。RunSTAF采用Sigma方法生成JPII的報告值（公式1），采用吸收法生成JVPII報告值（公式2）。

Sigma方法和吸收法

圖3  Sigma方法可以從STAF數(shù)據(jù)中提供JPII（electrons PSII-1 s-1），不提供JVPII（mol electrons m-3 s-1）。將Sigma衍生的JPII轉換為JVPII需要獨立評估光化學活性濃度PSII m-3（圖中以紅色顯示）。雖然吸收方法可以直接從STAF數(shù)據(jù)中提供PSII m-3，但將該值代入Sigma方程使其與吸收方程完全等價（包含的σPII值抵消了）。

校正要求

生成JPII和JVPII值需要光譜校正。生成JVPII還需要對包裝效應進行校正（圖5），并對基線熒光進行評估（圖6）。譜校正需要精確測定用于提供ST測量脈沖和光化光LED的光子通量和光譜輸出，以及樣品的光化學激發(fā)曲線(PEP)，打包效應校正是通過雙波段測量最大和最小重吸收的熒光發(fā)射（10 nm半帶寬，集中在685 nm和730 nm）來實現(xiàn)的?；€熒光校正適用于光失活PSII復合體積累導致的Fv/Fm測量值較低的情況。

使用PEP進行光譜校正

PEP的主要作用是便于對JPII和JVPII進行光譜校正。PEP數(shù)據(jù)是使用LED測量波段的不同組合產生的。RunSTAF由這些不同組合的ST曲線計算Fv和σPII值。Fv用于光譜校正。雖然生成PEP在技術上具有挑戰(zhàn)性，但該過程是完全自動化的，通常不需要超過兩分鐘的測量。

圖4  一個PEP曲線包括了416~622 nm的光譜。光譜校正光譜（SCS）的范圍將Fv PEP擴展到380~660 nm之間。上部圖中的紅線顯示了天然淡水樣本的擴展PEP。LabSTAF內的光化LED的發(fā)射光譜顯示為藍色。圖中還包括了七個LED測量波段的發(fā)射光譜。上部圖中黃色虛線顯示的是來自光化光源的一個發(fā)射光譜。添加此功能是為了方便比較STAF與14C固化平行測量的數(shù)據(jù)。在下部圖中，來自光化光源的光譜已應用于LabSTAF數(shù)據(jù)集（應用ESD）。這將觸發(fā)所有受影響參數(shù)值的重新計算，包括αLHII和Ek。αLHII的變化與JVPII是呈正比的（見公式2）。

打包效應修正

圖5  使用STAF測量，熒光發(fā)射通常在685 nm測量。這為光化學活性PSII配合物和其它源的發(fā)射提供了最大的光譜區(qū)分。缺點是PSII對熒光發(fā)射的重吸收在該波段內接近最大值。在這個波段內，實際的重吸收水平取決于單個細胞的光學特性（封裝效應）。在685 nm和730 nm測量的Fv的比率可以用來校正封裝效應。通常，完全自動化的包裝效果校正需要不超過30秒。

基線校正

圖6  在此例中，ST脈沖應用于暗適應樣品產生的Fv /Fm為0.382，這明顯低于從“健康”暗適應細胞中廣泛看到的0.5至0.65范圍。這個較低的值可能是PSII光化學被抑制的結果，或者可能表明除了光化學活性的PSII復合體（包括光失活的PSII復合體）以外的其他來源的高水平熒光與在健康范圍內的內在PSII光化學效率相結合。公式3可用于計算在假定的本征Fv /Fm（公式中的Fv /Fmc項）上的基線熒光（Fb）。

JVPII與14C固定的直接比較

需要對JVPII和14C固定進行平行測量，以了解控制它們之間可變比例的因素。迄今為止，方法上的不一致，包括孵育長度和光質量的差異，極大地抑制了電子碳比的實際評估（Φe,C值）。圖7中的圖像顯示了LabSTAF單元用于運行JVPII和14C固定的“雙重孵育”測量。LabSTAF內置的相對較大的樣品室（25mm內徑和56mm高度）便于進行此測量。14C加標樣品包含在閃爍瓶（23毫米外徑）。除了為兩個測量提供單一的光化光源外，這種安排還允許在整個14C 的孵育期內進行STAF測量。

圖7 LabSTAF內的大樣品室允許使用閃爍小瓶，以方便使用單個光化光源（雙孵化）平行測量JVPII和14C固定。左邊的圖是在北大西洋用天然浮游植物組合進行的一組雙重孵化。 在這個示例中，Φe,C的范圍從大約5到略高于7。這個范圍比在以前的實驗中觀察到的要小得多，在以前的實驗中，STAF評估率和14C評估率是并行測量的，而不是同時測量的。JVPII值包括RunSTAF軟件中用于運行系統(tǒng)和處理數(shù)據(jù)的自動光譜和打包效應校正。

光化學激發(fā)光譜（PEP）

如上所述，PEP的應用是為了促進JPII和JVPII的光譜校正。RunSTAF計算Fv和σPII的波段特定值。雖然Fv PEP值在很大程度上不受樣品內光譜異質性的影響，但σPII PEP值則不是。因此只有Fv PEP值用于校正JPII和JVPII。

圖8  PEP是通過平均用戶設置的ST曲線數(shù)的每個組合波段來構建的。LabSTAF或AutoSTAF單元循環(huán)Steps列表，直到獲得所需數(shù)量的曲線為止。使用LED的最佳組合可確保在ST脈沖期間關閉足夠高比例的功能PSII復合體，以產生準確的Fv和σPII。

圖9  10種浮游植物的代表性PEP + ST脈沖曲線。提供了一些Fv和σPII PEP示例。例子E和J顯示了兩種PEP之間最大的差異，并且可能包括藍藻污染。

基線熒光

不來自于光化學活性PSII復合體的Fo部分被稱為基線熒光，并被量化為Fb。基線熒光在包括JVPII在內的許多熒光參數(shù)的計算中引入了誤差。圖10中的數(shù)據(jù)圖說明了基線校正對STAF衍生的PSII光化學評估與Clark型電極測量的總氧釋放之間匹配的影響。

圖10  氧光曲線（OLC）和熒光光曲線（FLC）同時測量一系列浮游植物物種。在~ 20 °C和30 μmol photons m?2 s?1的培養(yǎng)物上進行測量。FLC數(shù)據(jù)被標準化為O2的等效單位，OLC和FLC數(shù)據(jù)歸一化為衍生的功能PSII復合體的濃度（O2 PSII?1s?1）。FLC數(shù)據(jù)使用KaFO（11800 m?1）或樣品樣本特異性（KaS）值獲得。實線表示P-E曲線擬合。KaS值是通過對所有物種應用內在的Fv/Fm（Fv/Fmc）0.518生成的（公式4）。這些數(shù)據(jù)原發(fā)表于Boatman et al. 2019。

雙ST脈沖測量

雙ST脈沖（DSP）方法結合在這里描述的STAF系統(tǒng)中，跟蹤序列第一個ST脈沖中關閉的PSII復合體的重新開放。ST脈沖通常具有相同的持續(xù)時間，它們之間的間隔是可變的（圖11）。