人类,乃至地球上所有的生物,都是碳基生物。而思考物质如何产生、转化以及地球如何进行碳循环,是科学界回答“我们从哪里来,又将到哪里去”的优雅方式。
Juliana D'Andrilli 博士,环境学家,墨西哥湾肖万市路易斯安那大学海事协会的研究员和副教授,就是探索这类答案的科学家。
鉴于人类的日常活动,如人口迁移、农业活动和化石燃料燃烧等,会干预地球的自然碳循环,并造成日渐明显的严重后果,D'Andrilli 博士将研究专注于了解地球的碳历史和现状,并通过碳基物质在生态圈中的迁移和转化来预测其未来等方面。
在这个由碳构成的世界里,从何处着手碳循环的研究却是一个难题。
D'Andrilli 博士认为,冰芯是揭示碳循环的途径之一,研究冰芯可以揭开地球过去的秘密,因此当务之急是在冰盖(也就是大陆冰川)完全消失前了解地球的历史。研究储存在冰芯中的数据时,她不仅关注地球过去的样子,还关注冰层当前的变化,并思考这些数据能对未来有怎样的指示作用。
在D'Andrilli 博士的实验过程中,荧光光谱技术在回答地球历史问题上发挥了举足轻重的作用。
“谢天谢地,荧光真的很灵敏,它让我的工作事半功倍,”她说,“我已经能够使用这种技术测量大约 27000 年前冰层中的有机物。”
荧光光谱对冰层样本的分析带给她一个惊人的发现:不同气候时期可能产生不同类型碳基物质。换言之,地球的功能与气候具有相关性,随着温度的变化,我们的碳生产力也随之变化,因此过去曾有不同的物质与大气相互作用,这些与大气作用的物质被运送到两极,并沉积在冰盖上。历经27000年间的沉积,荧光光谱还是可以透过封尘的冰层“看”到了它们。
作为环境学家,D'Andrilli在面临碳循环这一宏大的命题时,最关心的还是碳循环对环境造成的影响。碳是如何在有机物与无机物之间流动的,这是她首先要研究的课题。
生态圈的存在使碳元素在生物与环境之间流通起来,那么这种流通从哪一瞬间开始,最终碳又将流向何处呢?
为了解开这一谜题,D'Andrilli 博士开始把视线投入到更细微之处。她想要探寻微观有机物是如何在生态系统中形成的,它如何流经不同的食物网,微生物如何利用它,它如何被太阳氧化,以及一旦转化后是否会变成温室气体等。
因此,溶解性有机质就成为研究的落脚点。
溶解性有机质(Dissolved organic matter,DOM)是一类具有复杂组成、结构和环境行为的有机混合物,广义上包括一切溶解于水中的有机化合物。它是存在于食物链的底部的微观物质,可以向生物体提供能量,并同时进行碳转化的最小尺寸物质,是地球上最大的碳反应池。
D'Andrilli 对DOM很感兴趣,因为尽管体积小,DOM在生态系统中却扮演着不可或缺的角色,它可为更高层次的生物结构提供营养。例如,它可为某些微生物提供能量,这些微生物会影响其他生物,并通过食物链流入鱼类群落和人类。
可以说,DOM养活了地球上的一切。
很多人认为这些看不见的DOM是孤立的,永远不会与环境发生作用,然而事实并非如此。碳循环中的任何一环都将是牵一发而动全身的复杂影响。随着全球气候暖,气温升高,生态系统开始发生变化,当DOM面临一个新的环境,不同的转化速度或机制就产生了。
换言之,随着生态系统的转变,一些在当前环境中还未发生的碳转换,可能会从最细微之处(DOM)开始发生变化。
比如冰川消融后我们即将面临的是:碳物质在海洋中的沉积和释放到大气中的转化产物会产生后果,有些会导致环境发生巨大变化。
北极冰盖释放的碳物质是怎样影响环境的呢?
D'Andrilli在路易斯安那州的研究项目与此相关,因为“路易斯安那州的每个人都知道海平面正在上升,每当我们走出后门,都能看到墨西哥湾在上升。”因此,D'Andrilli在这里的研究侧重于人类与不断变化的遥远环境的关系,并在当地社区开展教育。。
她把通过海洋运动连接的遥远冰层中发生的变化和沿海人类的生活联系起来。她认为北极冰盖释放的碳物质可能基于两种机制影响环境:1)反应:通过生物或非生物过程改变其化学性质;2)运动路径:物质可能沉入海底,沉淀在沉积物中,或流经全球海洋传送带。
“通过这些运动过程,我们才有机会接触到在我们家后院遇到的物质。”D'Andrilli 说。
那么接下来的问题是,“这些冰盖和水中含有什么类型的有机物?” “它们之间有什么影响?”
这不仅是D'Andrilli的疑问,也应该是我们每个人的疑问。
要了解有机碳对从冰盖到“我家后院”墨西哥湾的影响,我们必须知道北极正在释放(融化)哪些物质,它们如何转化,它们影响的对象以及它们的去向。
北极冰盖上有一个向下的斜坡,新融化的物质将流入邻近的水域,然后在沿海地区混合。D'Andrilli在路易斯安那州的总部就是一个沿海生态系统,它最终会接收来自遥远环境的碳物质。复杂的问题是,冰盖有自己的“行动缓慢”的生态系统,在冰盖表面融化的碳物质不一定会在海洋中存留,也不一定会在低纬度地区与我们相遇。这些冰上碳转化的产物在到达海岸的过程中会影响当地海水,产生不可预知的变化,这些变化可能影响海水的碳转化产物。
所以,追踪这些不同阶段发生的变化,我们或许就能了解下一个与之相关的生态系统将会受到怎样的影响,以及哪些最终产物将通过全球传送带在“我们的后门”出现。这是因为海水在世界各地循环流动。
不同类型的碳物质会影响不同的微生物群落和沿途的其他生物。冰盖的融化/崩解以及随后在海洋中沉积的碳物质和释放到大气中的转化产物产生了严重后果,其中一些导致了环境的剧烈变化。
“如果我们知道什么样的碳将被转化,以及这些最终产品是什么,那么我们就可以预测它们将如何影响邻近的生态系统,”她说。
碳循环是一个自然过程,化石燃料燃烧等有害活动引起大气中二氧化碳浓度的飙升,加剧了碳循环,进而引发温室效应,使北极冰川融化,冰上碳转化的产物,又会反过来对大气造成影响,这种影响有多大?我们仍不知道。但是,只要有机会,奉行折衷主义的环境化学家D'Andrilli 博士就会在生态系统中进行有机碳调查。她的研究跨越极地、低纬度地区的水生和陆地生态系统,海洋、河流、湖泊和降水,每一滴不同身份的水都为她提供着线索。
“我渴望理解在任何生态系统中控制碳转化或微观有机物质的基本过程。这有助于我们理解地球的运转机制,但同时让我们有机会对全球范围的荧光碳标记进行分类,方便我们在调查其他行星上的生命时使用这些标记。”
在碳循环变化研究中,高灵敏度的荧光光谱对D'Andrilli极其重要。因为D'Andrilli不能总是得到大型样本,尤其是大型冰芯样本,她只能得到少量样本。
“我最喜欢荧光光谱法的一点就是“以小博大”,仅需少量样本和一个针对不同类型化学成分的高灵敏度的仪器就能给我带来最大的回报。”她说。“我可以用这种对样品前处理要求低的荧光光谱仪直接对化学物质、物种和特有的有机成分进行表征,而不必将 10-30 升水装入容器中,然后拖到其他地方去测量。”
“这也意味着我的工作可以高度协作。以冰芯研究为例,我们必须用很少的资源做很多事情,因为我们只钻取了主冰芯的某些部分,而且还需要与世界各地的实验室分享。每人只能分到数量有限的样本,许多冰芯研究人员会问,“这点样本能用来做什么?”我的回答是,我会用光来照射样本,看看从数据中可以辨别出哪种化学标记。一旦所有数据收集完备,模型就会出现,故事便开始了。即使只有几毫升的样本也能揭示大量的碳数据。”
D'Andrilli 的职业生涯始于HORIBA 的FluoroMax-4,现在这仍是她最爱的荧光光谱仪,主要用于生成激发发射矩阵。“我喜欢 FluoroMax-4,因为它对低碳环保工作最敏感。”她说。
HORIBA FluoroMax-4
她目前在实验室里还有一台 Aqualog® 同步吸收-三维荧光光谱仪,这是一台可以带到野外进行研究的台式荧光光谱仪。Aqualog® 在测量中使用专有的 A-TEEM(吸光度、透射率、荧光激发发射矩阵)技术,可在几秒内产生结果,校正内滤效应,产生比未校正更精确的结果。”
D'Andrilli 的研究将继续专注于了解各种生态系统中的微观碳基物质,并使用荧光技术来确定不同的有机物来源和水生网络中发生的转化。她将水生生态系统与不断变化的环境(时间、阳光照射、温度和湿度等)联系起来。显然,第一步始终是要理解这些微观碳基物质如何在水生、陆生和/或大气环境中变化或运动的。接下来,就是去尝试了解当我们的生态系统经历不可逆转的变化(例如全球气温上升)时会发生什么。因为这是预测未来的重要一步。
“随着气温上升,我预计未来10至20年碳转化将会增加。”她说,“在气候变暖的情况下,生态系统将以更高的生产率运转。我们一直在研究地球的历史趋势,从较冷的温度(20000多年前)到冰川消退后的较高的温度(约12000年前至今),整个漫长过程中地球是如何运转的。当温度升高时,我们看到了更高的碳生产力。随着温室气体增加,地球持续变暖,这种情况还在继续。我看到冰盖缩小,海洋变化,河流、海洋表面的碳生产和沿海地区碳生产都在增加。随着有机碳在全球范围内循环,我们的地表生物圈和大气可能会变得更丰富。它要去哪里?当它到达那里时会做什么?这些都让我着迷。在我看来,拥有测量和理解碳变化的工具是关键。”为此,D'Andrilli 渴望学习,并为自己配备了 Aqualog 和从世界各地获得的 10 年荧光标记目录。
随着冰盖的缩小,新的研究问题正在形成。冰盖曾经是地球历史的无声记录者,但随着温度的升高,如今可能会成为有潜在影响力的重要“碳排放”,海洋将如何应对这种变化?
HORIBA将与Juliana D'Andrilli 博士一起探索这一问题。
1 D'Andrilli J, Foreman CM, Sigl M, Priscu JC and McConnell JR (2017) A 21 000-year record of fluorescent organic matter markers in the WAIS Divide ice core. Climate of the Past, 13(5), 533-544 (doi:10.5194/cp-13-533-2017)
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