利用荧光光谱法探索海洋中的生物地球化学循环、物种形成和初级生产力

“地球是一片巨大的海洋，覆盖了地球70%的面积，所以应该叫‘海洋星球’而不是‘地球’。”

海洋星球一直是彼得·克鲁特教授（英国皇家化学学会会员）研究的核心，致力于阐明海洋中有机物的起源。克鲁特教授是戈尔韦大学的海洋生物地球化学家，拥有分析化学和环境化学背景，他毕生致力于海洋环境研究，主要在远洋开展工作。克鲁特教授的全球研究足迹遍布南大洋和南极洲、大西洋、印度洋和太平洋，重点关注生物地球化学循环，包括碳和金属的循环及其形态：确定这些元素存在的化学形态，以及不同形态之间的转化动力学。所有这些都与限制海洋初级生产力的因素以及环境所受到的压力（例如气候变化、全球变暖、海洋酸化和海洋缺氧）密切相关。

“初级生产力是指浮游植物将_二氧化碳吸收并转化为有机物的过程。由于光照可能限制初级生产力，我们也进行生物光学测量。但氮（N）、磷（P）和/或铁（Fe）也可能限制初级生产力，因此我的很多研究都着眼于究竟是什么控制着初级生产力。这涉及到克服分析测量不同成分的挑战，以确定它们对初级生产力是否重要。这也引发了许多关于微量金属循环以及碳氮循环的分析问题。这些问题可能不会直接导致初级生产力的变化，但对于理解元素循环以及陆地向海洋的输入仍然至关重要^。¹”

计量学是克鲁特教授研究的重要组成部分，他从实验和理论两个角度进行测量，探索现有的分析技术，并在必要时加以改进，同时开发新的技术。所有这些工作都旨在为知识和社会做出贡献。

“就气候变化而言，我们正在开展的工作提供了良好的基准数据，可供未来进行比较，其中涉及众多主题，例如海洋酸化、全球变暖和海洋缺氧。我们的工作为环境压力影响提供了新的证据，这些证据可以反馈到例如政府间气候变化专门委员会（IPCC）的全球报告中，或者在较小范围内反馈到区域评估中，从而为政策、适应和减缓措施提供信息^¹。

另一项研究成果关注塑料等污染物，以及它们如何改变和影响生物地球化学循环。这不仅提供了可用于学术研究的数据，而且这项研究还可能表明，维护蓝绿海洋具有经济、社会或文化效益。此外，在过去的20年中，人们更加关注环境领域，研究各种化学物质的生命周期以及它们如何融入自然和人为的生物地球化学循环。我们现在看到，国际塑料条约和类似于政府间气候变化专门委员会（IPCC）的化学机构正在逐步推进。这些是化学领域前所未有的重大变革。最后，人们对监测的认识也得到了提高。过去，监测常常被视为研究的次要部分，人们不禁会问：为什么要进行大量的重复测量？但现在我们知道，长期系列测量具有巨大的价值。这是一个根本性的转变。

克鲁特教授的研究也有助于阐明海洋中有机物的来源。目前主要有两种理论：一种理论认为所有腐殖质成分都是原位浮游植物或浮游动物活动的结果；另一种理论则认为所有腐殖质都来源于陆地，然后被稀释到海洋中，并在海洋表面通过光化学作用被分解。

“我们关注的诊断标志物是酪氨酸和色氨酸这两种蛋白质。它们可以指示浮游动物的活动，并表明许多蛋白质来源于捕食，从而让我们了解生物体在哪些地方被积极捕食。沿海海洋中的这些代谢废物可能指示这些过程，以及河流提供的物质，例如农业径流^²。”

“我们利用平行因子分析（PARAFAC）进行大量的激发-发射矩阵（EEM）分析，以研究海水中的有机成分。我们逐步向近岸推进，沿着河口向上游探索，最终开始研究泥炭沼泽。由于南太平洋的样品颜色像红茶一样深，我们不得不对样品进行稀释，而Aqualog仪器最初需要很长的积分时间才能进行计数，结果几乎无法测量任何数据。现在，我们试图识别不同类型的有机物，例如腐殖质或蛋白质，以追踪它们从泥炭沼泽经由河流系统最终进入海洋的路径。这将为我们提供有关碳循环的线索，而碳循环又影响着其他一切。”

Aqualog 能够同时捕捉吸光度和荧光，这在同类设备中仍然相对独特。这让我们回想起最初使用荧光技术的目的：研究元素的形态。其中一个问题是，河水和泥炭沼泽中含有大量的铝，而铝对某些生物体有毒。铝大部分会随着海水的混合而被去除。我们一直在利用 Aqualog 进行动力学研究，以了解铝在河水或河口中从一种化学物质转移到另一种化学物质的速度。

Aqualog 的 3 合 1 测量功能（荧光、吸光度和 EEM）使 Croot 教授能够检测出荧光和非荧光复合物，这些复合物是通过荧光法检测不同铝物种而产生的。

“我们可以利用这些信息来观察这两种物种的丰度，并校正有机物产生的自然荧光。这是使用Aqualog的一大优势；它能做到传统荧光计无法做到的事情。它能让你了解整个过程，”他说道。

但有了 Aqualog，克鲁特教授可以进行更多研究，并开展各种荧光测定：它已被用于研究活性氧物种及其如何改变有机物的荧光。

“我们还没有找到其他能够让我们完成所有这些事情的方法。过去，我们会建立两套系统来并行测量。”

在如此多样化的研究环境中工作时，从清澈的南太平洋水域到爱尔兰泥炭沼泽，Aqualog 的灵敏度和动态范围以及应用内滤效应 (IFE) 校正的能力变得至关重要，从而减少了对样品进行过多操作的需要。

鉴于应用和方法论的不断发展，更新研究技术可以拓宽提升研究结果、知识和理解的潜力。越来越多的研究团队正在开展激发-发射矩阵（EEM）测量，这是一种简便易行的测量方法，能够提供水中溶解有机物（DOM）的信息，并可将其与不同的水体关联起来。

“即使它无法提供单个组分，也极大地改进了我们对溶解有机物（DOM）的分类方式。这是一种权衡——你可以使用Aqualog获得大量数据，或者使用非常昂贵且耗时的技术来获取单个组分，这意味着你收集到的数据会更少。很多时候，使用Aqualog尽可能获得更大的空间和时间覆盖范围比专注于识别所有对信号有贡献的单个组分更为可取。目前有一些实验室正在进行这项工作，他们将自己的结果与Aqualog的返回结果进行比较，以便我们能够开始从3D荧光数据中提取更多信息。”

我认为，随着它在海洋和淡水研究领域日益普及，它就越能成为管理海洋和淡水水质的人们的诊断工具。

克鲁特教授表示，这适用于化粪池泄漏或雨水/污水溢流等情况，研究极端天气事件可能对碳循环其他方面产生的影响，以及当地供水系统中去除有机物的技术¹。但这项新技术也使我们能够更新一些历史数据和过去的研究，从而更好地了解实际情况。

“当你查看一些较早的研究论文时，你会发现很明显，这些数据是在一台机器上测量的，然后再在另一台机器上测量的；它们并非同时测量的。其中有很多巧妙的解读，但数据本身却很少。”

克鲁特教授及其团队收集了宝贵的数据，为理解海洋生物地球化学循环、物种形成和初级生产力做出了重大贡献。现在最紧迫的问题是，下一步该做什么？除了继续研究有色溶解有机物（CDOM）并将其扩展到湖泊、河流和沿海水域之外，克鲁特教授最近还开始研究光合色素。

“最近我们一直在使用Aqualog来研究光合色素，提取并测量叶绿素和其他辅助色素，采用的是吸光度光谱法和荧光光谱法。Aqualog的优点在于，你可以同时进行这两种测量，并比较两种分析方法的结果是否一致。”

测量色素的贡献有助于获得所谓的“光学闭合”。事实上，每个样品的吸光度都是水中溶解性有机物（CDOM）、浮游植物色素和无机成分共同作用的结果。

“衡量水体中光的吸收量和后向散射量，对于研究初级生产力来说是一个非常有用的指标。 ”

¹ O'Driscoll, Connie 等。“追踪喀斯特地区地下水中天然有机物、三卤甲烷和金属的来源。”环境科学与污染研究27 (2020): 12587-12600。

² Shi, Lin 等。“利用电渗析反转从猪粪消化液中回收营养物质：膜污染和长期运行的可行性。”膜科学杂志573 (2019): 560-569。https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.12.037。

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