荧光光谱技术揭示碳循环变化

我们干预了大自然的原始力量。

人类通过人口迁移、农业活动和化石燃料消耗干扰了地球的自然碳循环，产生了重大后果。但这是一个复杂的涨落现象，类似潮汐引力，属于生态平衡转变的一部分。

环境化学家 Juliana D'Andrilli 博士是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。她的目标是了解地球的碳历史和现状，并由此通过碳基物质在生态圈中的迁移和转化来预测其未来。

“无论你身处何处，这都是一个非常重要的难题，但它也有助于了解其他星球上的碳物质”她说。

研究冰芯可以解开地球过去的许多谜团，现在我们要做的是在冰盖完全消失前了解我们的历史。研究储存在冰芯中的记录时，我们不仅对地球过去的样子感兴趣，还试图掌握冰层当前的变化，以及这些记录在未来能帮助我们理解什么。

她自称是一名奉行折衷主义的环境化学家，不会根据周围环境进行区别对待。

“只要有机会，我就会在生态系统中进行有机碳调查。”她说。她的研究跨越极地环境，但她也研究低纬度地区的水生和陆地生态系统，包括河流、湖泊、海水、土壤和降水。

“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。”

比如当前进行的火星探测项目。

荧光光谱法是 D'Andrilli 研究的一个关键组成部分。排在首位的它在低碳环境下的灵敏度。她并不总是会得到大型样本，尤其是大型冰芯样本。但由于荧光极度灵敏，她仅需少量样本就可以进行研究。

“我最喜欢荧光光谱法的一点就是以小博大，用少量样本和一个针对不同类型化学成分的非常独特和敏感的仪器就能给我带来最大的回报。”她说。“我可以用一台对样品前处理要求少的仪器对化学物质、物种和特有的有机成分进行梳理。我不必将 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。每个人都分到一份，但数量有限，这让大家心生疑虑。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。”

此外，通过利用荧光光谱技术以地球上的化学标记来表征水生碳物质，我们创建了一个标记目录用于对比火星物质，也许有一天，还能与被海洋覆盖的木卫二进行对比。通过类似 D'Andrilli 的研究，我们可能会发现与我们编目的化学物种相同的化学物种。它将更好地向我们揭示其他天体上存在的化学物质类型。

D'Andrilli 专注于溶解有机物（DOM）的研究，因为它是地球上最大的碳反应池。DOM 属于微观物质，存在于食物链的底部，即在向生物体提供能量的同时可以进行碳转化的最小尺寸的物质。然而，它在我们的生态系统中扮演着不可或缺的角色，为更高层次的结构提供营养。

例如，DOM 为某些微生物提供能量，这些微生物影响其他生物，并在鱼类群落和人类的食物链中占据越来越高的位置。

“它基本上养活了这个星球上的一切。”她说。“没有有机物，我们就无法生存。所以，存在的论题是从溶解层面开始的。”

D'Andrilli 的职业生涯始于 FluoroMax-4，这仍是她最爱的 HORIBA 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。

她目前在实验室里有一台 Aqualog，这是一台台式荧光光谱仪，可以带到野外进行研究。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）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。

她在路易斯安那州的研究项目侧重于发展与遥远环境的关系，并在当地社区开展教育。

“路易斯安那州的每个人都知道海平面正在上升，”她说。"在路易斯安那的家中，每当我们走出后门，都能看到墨西哥湾在上升。”

她的工作是将通过海水运动连接的遥远环境中发生的事与人们在当地的经历联系起来。北极冰盖释放的碳物质可能遵循两种机制导致环境改变。一个是反应，通过生物或非生物过程改变其化学性质，另一个是运动路径，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。通过这些过程，我们有机会接触到在我们家后门遇到的物质。

“这些冰盖和水是什么类型的有机物？”她问道。“它们有什么用？”

要了解有机碳对从冰盖到我们后门的碳循环的影响，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坡度。新融化的物质将流入附近的水体，然后在沿海地区混合。她在路易斯安那州的总部是一个海岸生态系统，最终接收来自遥远环境的循环和输送物质。冰盖有自己的海岸生态系统。这是一段很长的旅程。在冰盖表面融化的物质不一定是在海洋中持续存在或在低纬度与我们相遇的物质。冰在向海岸行进的过程中，其碳转化的产物将决定当地海洋水域发生的事情，而这些水域随后转化的产物将决定接下来会发生什么。

“如果我们跟踪在这些不同阶段发生的转换类型，就可以了解后续生态系统将如何受到影响，以及哪些最终产物将通过我们的全球传送带在我们的后门与我们相遇。”她指出。这在两极地区都是如此，因为海水在世界各地循环流动。

不同类型的碳物种会影响不同的微生物群落和沿途的其他生物。冰盖的融化或崩裂以及随后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。

“如果我们知道哪种碳将被转化，这些最终产物是什么，我们就可以预测它们将如何影响邻近的生态系统。”她说。

很多人认为我们人类肉眼看不到的溶解有机物性质温度，永远不会在环境中发生反应。但随着气候变暖导致温度上升，生态系统发生变化，当溶解的碳物种到达新环境时，会产生不同的转化速度或机制。例如，如果有更多物质可以转化，二氧化碳（CO₂）的浓度可能会增加，即，一些在当前状态下未规律转化的物质，随着其生态系统的变化会得到处理（就像冰盖碳在融化时发生反应一样）。

这些都是自然过程，尽管大气中二氧化碳浓度的增加正在改变地球的状况，但这都是生态平衡转变的一部分。

“碳循环是一个自然过程。”她强调说。“化石燃料燃烧等有害活动加剧了碳循环，这为碳循环研究创造了一个完全不同的组成部分。化石燃料的燃烧正在彻底改变我们的生态系统；随着气温升高，大气中二氧化碳浓度增加，我们正走向不可逆转的变化。”

化石燃料燃烧造成的气温上升的影响可以被看作是冰盖继续融化、收缩和后退而未得到补充。这意味着气候变暖的速度快于降雪补充冰盖系统的速度。研究从自然碳过程中释放出的二氧化碳非常重要，因为到目前为止，我们还不知道它将对我们的大气产生多大的影响。现在要做的是研究何种类型的有机物可能会导致关键的影响，这种影响可以扩展到北极和南极的大型冰冻水库。

D'Andrilli 的研究继续专注于了解各种生态系统中的微观碳基物质，使用荧光来确定不同的有机物来源和水生网络中发生的转化。她将水文相关的水生生态系统与不断变化的变量联系起来，如时间、阳光照射、温度和湿度等。想象一下，跟随一颗雨滴或一团水流经整个密西西比河流域，或者跟随冰盖表面融化的冰块流向海洋。理解这些物质及其如何在水生、陆生和/或大气环境中变化或运动始终是第一步。下一步是理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。这是我们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。“在气温变暖的情况下，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）通过冰川消退到较高的温度（约 12000 年前至今），整个过程中地球是如何运转的。当温度升高时，我们看到了更高碳生产力的标记。随着温室气体增加，地球持续变暖，这种情况还在继续。我看到冰盖在缩小，海洋在变化。河流碳生产、海洋表面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。”

现在，随着冰盖的缩小，新的研究问题正在形成。冰盖一直着记录我们的过去，但随着温度的升高，现在可以被视为有潜在影响力的重要碳汇。海洋将如何回应它们的输入？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。

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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