海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的研制及發(fā)展范文
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摘要:文章分析我國和國際海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的研制情況,重點介紹國際海洋標準物質(zhì)知名組織或機構(gòu)以及海水營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)全球?qū)嶒炇议g比對工作。在此基礎(chǔ)上,提出我國海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)研制的發(fā)展方向,主要包括建立海洋標準物質(zhì)分類和管理體系、建立國家海洋標準物質(zhì)研制組織或機構(gòu)、參與海水營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)全球?qū)嶒炇议g比對、改進海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)配制基底和方法以及針對特殊海域研制海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)5個方面,以期滿足海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋生物資源開發(fā)利用和海洋科學(xué)研究的需求。
關(guān)鍵詞:海水營養(yǎng)鹽;海洋標準物質(zhì);實驗室間比對;標準計量;海洋監(jiān)測
0引言
營養(yǎng)鹽是海洋浮游生物生長所必需的營養(yǎng)元素,是其生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。海水營養(yǎng)鹽作為海洋生物地球化學(xué)研究的基礎(chǔ)參數(shù)之一,通常指海水中的硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和銨鹽5種物質(zhì)。在海洋浮游植物光合作用的過程中,海水營養(yǎng)鹽被其吸收、利用和固定,通過食物鏈向上傳遞;部分有機營養(yǎng)鹽伴隨顆粒沉降向深海輸送,在微生物降解等的作用下再轉(zhuǎn)化為無機營養(yǎng)鹽;也可被上升流帶回真光層,繼續(xù)供給浮游生物[1]。海水營養(yǎng)鹽是海洋生物泵和初級生產(chǎn)力等研究的基礎(chǔ),不僅對海洋初級生產(chǎn)過程發(fā)揮至關(guān)重要的作用,而且決定其他生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)。我國對海水營養(yǎng)鹽的研究主要集中在不同海域含量分布規(guī)律和季節(jié)變化趨勢[2]。當營養(yǎng)鹽含量不足時,就會抑制浮游生物的生長[3];當營養(yǎng)鹽含量過高時,則會導(dǎo)致海水富營養(yǎng)化,甚至引發(fā)赤潮,嚴重威脅海洋生態(tài)環(huán)境和海洋漁業(yè),同時提高生態(tài)環(huán)境保護和水處理成本。目前海水營養(yǎng)鹽已成為我國海洋監(jiān)測的必測參數(shù),準確可靠的營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)是開展相關(guān)海洋科學(xué)研究的基本要求和基礎(chǔ)保障。為提高不同實驗室在不同航次所獲數(shù)據(jù)的可比性,須解決2個問題:①采用準確、可靠且統(tǒng)一的標準分析方法和操作步驟,一般為國際認可的參考方法;②采用被普遍認可的統(tǒng)一標準物質(zhì),保證量值傳遞和測定結(jié)果的一致性。目前我國已制定《海洋監(jiān)測規(guī)范》[4]和《海洋調(diào)查規(guī)范》[5],從而解決了第1個問題;解決第2個問題則需研制海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)。標準物質(zhì)是具有一種或多種足夠均勻和已被確定的特性值的材料或物質(zhì),類似于質(zhì)量測定體系中的“砝碼”,用以傳遞量值,保證測定結(jié)果的一致性、可靠性和可比性,可用于校準儀器、評價測量方法和為材料賦值[6]。自1906年美國標準局正式制備和頒布首批標準物質(zhì)至今[7],標準物質(zhì)在儀器校準、實驗室評估、方法驗證和質(zhì)量控制等方面的研究和應(yīng)用越來越受關(guān)注和重視。我國海洋標準物質(zhì)的發(fā)展相對緩慢,《全國海洋計量“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出海洋計量標準裝置、海洋標準物質(zhì)、海洋量傳溯源技術(shù)方法、海洋計量科技創(chuàng)新、海洋計量技術(shù)規(guī)范制修訂和海洋計量科技成果轉(zhuǎn)化6個重點發(fā)展方向,其中“加強海洋標準物質(zhì)的研究和研制”部分明確將海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)作為海水基本要素和污染物標準物質(zhì)研制的重點。
1我國海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的研制
我國自1949年后開始標準物質(zhì)研制的相關(guān)工作,1980年成立國家級標準物質(zhì)研究所(后更名為國家標準物質(zhì)中心),集合國內(nèi)冶金、建材、化工、能源、核材料、環(huán)保、國防和計量等領(lǐng)域的20余個部門和科研機構(gòu),編制相關(guān)發(fā)展規(guī)劃并組織實施。經(jīng)過多年的努力,我國標準物質(zhì)研制工作取得飛速發(fā)展[8],截至2016年年底,已有國家一級有證標準物質(zhì)2265種和國家二級有證標準物質(zhì)7471種。我國海洋標準物質(zhì)的研制始于20世紀70年代,目前研制單位主要包括國家海洋局第二海洋研究所、國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心、國家海洋局第一海洋研究所和國家海洋標準計量中心,此外中國計量科學(xué)研究院、原國家衛(wèi)生部、中國環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)所、國家地質(zhì)實驗測試中心等也參與部分研制工作[9]。楊丹等[9]總結(jié)我國已有海洋標準物質(zhì),包括海水水質(zhì)(理化特性、無機鹽、有機物和金屬等)標準物質(zhì)、海洋生物標準物質(zhì)和海洋沉積物標準物質(zhì)等。根據(jù)2017年出版的《中華人民共和國標準物質(zhì)目錄(2016版)》[10],以硝酸鹽為例,在我國環(huán)境領(lǐng)域涉及硝酸鹽的44種標準物質(zhì)中,僅有國家海洋局第二海洋研究所和國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心進行海水硝酸鹽標準物質(zhì)的研制,其他海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的研制情況也類似。其中,國家海洋局第二海洋研究所自1976年研制海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì),研究基礎(chǔ)較好,且已實現(xiàn)硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和銨鹽等一級和二級標準物質(zhì)的產(chǎn)品化。然而我國海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)在種類、數(shù)量和研制單位等方面與海洋發(fā)達國家和其他國內(nèi)行業(yè)相比均存在較大差距。
2國際海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的研制
目前國際最知名的標準物質(zhì)研究機構(gòu)是國際標準化組織(ISO)的標準物質(zhì)委員會(REMCO),國際標準物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(COMAR)是目前國際最大和最全面的標準物質(zhì)數(shù)據(jù)庫[11]。此外,歐美國家也有較多權(quán)威的標準物質(zhì)研究機構(gòu),如美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)、歐盟標準物質(zhì)與測量研究所(IRMM)、英國政府化學(xué)家實驗室(LGC)、聯(lián)邦德國材料研究和測試研究所(BAM)等。海洋標準物質(zhì)領(lǐng)域較知名的國際研究機構(gòu)主要是標準和標準物質(zhì)專家組(GESREM),該組織于1987年由政府間海洋學(xué)委員會(IOC)、國際原子能機構(gòu)(IAEA)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)聯(lián)合成立,主要致力于海洋標準物質(zhì)的研究,并以聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)技術(shù)報告等形式特定調(diào)查項目和海域的標準物質(zhì)研制情況;早在1991年,該組織就在UNESCO中明確提出以高優(yōu)先級別發(fā)展海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的急切需求[12-13]。有眾多海洋學(xué)者致力于海洋標準物質(zhì)的研究工作,如Aminot等[14-15]詳細描述以實際海水為基底配制海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的具體步驟,采用高壓滅菌的方法延長該標準物質(zhì)的保存時間,并將該標準物質(zhì)應(yīng)用于第4屆和第5屆國際海洋調(diào)查理事會(ICES)海水營養(yǎng)鹽實驗室間比對研究[16]。為保證全球?qū)嶒炇议g海水營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)的可比性,國際研究機構(gòu)非常重視實驗室間比對工作。ICES自1965年起已組織5次全球?qū)嶒炇议g海水營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)比對[17]。美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)和加拿大國家研究委員會(NRC)分別于2000年和2002年針對NRC研制的海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)MOOS-1進行實驗室間比對[18-19]。日本氣象研究所(MRI)和其他合作機構(gòu)分別于2003年、2006年、2008年、2012年和2014年連續(xù)定期組織全球?qū)嶒炇议g海水營養(yǎng)鹽樣品的比對研究[19-20],并測定結(jié)果的技術(shù)報告;一些新發(fā)展的海水標準物質(zhì)研究機構(gòu)也積極參與,如2014年韓國海洋科學(xué)技術(shù)研究所和荷蘭皇家海洋研究所均提供新研制的海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)供全球比對使用[20];值得一提的是,我國也有2家實驗室參與MRI組織的全球?qū)嶒炇议g比對研究。為推動全球海洋營養(yǎng)數(shù)據(jù)的可比性(COMPONUT),國際海洋研究科學(xué)委員會(SCOR)專門成立147工作組(WG#147),日本海洋地球科學(xué)與技術(shù)研究社(JAMSTEC)積極參與該組織,并相關(guān)海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)。
3我國海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)研制的發(fā)展方向
3.1建立海洋標準物質(zhì)分類和管理體系我國的標準物質(zhì)按屬性和應(yīng)用領(lǐng)域分為地質(zhì)礦產(chǎn)成分分析、環(huán)境化學(xué)分析、食品成分分析以及物理特性和物理化學(xué)特性測量4個大類,并未形成專門的海洋標準物質(zhì)分類。我國已有的國家一級和二級海洋標準物質(zhì)不到150種,而國際海洋標準物質(zhì)已有2000余種[21]。因此,亟須政策導(dǎo)向和經(jīng)費支持,大力推進海洋標準物質(zhì)的研制工作,同時參考國際研究進展,建立科學(xué)、完善和合理的海洋標準物質(zhì)分類和管理體系。
3.2建立國家海洋標準物質(zhì)研制組織或機構(gòu)為提高海水營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)的可比性,國際已建立海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)研制的專門組織或機構(gòu),聯(lián)合較大的全球性海洋調(diào)查項目或依托全球頂尖標準物質(zhì)研究機構(gòu),具有較高的知名度。因此,亟須建立包括海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)在內(nèi)的、具有國家代表性和國際知名度的海洋標準物質(zhì)研制組織或機構(gòu),擴大我國在全球?qū)嶒炇议g比對和交流中的優(yōu)勢。
3.3參與海水營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)全球?qū)嶒炇议g比對全球?qū)嶒炇议g海水營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)比對自1965年就已開展,并得到各國的積極響應(yīng)和推廣,形成較大規(guī)模和較高知名度。我國僅有部分高校和研究機構(gòu)的個別實驗室參與此項工作,且海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)研制機構(gòu)并未參與,無法及時了解和跟進相關(guān)國際最新進展。因此,我國海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)研制機構(gòu)應(yīng)積極主動與國際知名標準物質(zhì)研究機構(gòu)開展學(xué)術(shù)合作交流,有針對性地參與全球?qū)嶒炇议g比對,從而提高我國海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的質(zhì)量,并納入國際化軌道。
3.4改進海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)配制基底和方法我國已有的海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)部分以3.05%NaCl溶液為基底配制,部分以超純水為基底配制;而國際海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)都以相應(yīng)處理后的天然大洋海水為基底配制。因此,亟須改進配制基底和方法,減少基底差異引起的誤差,確保標準物質(zhì)在應(yīng)用時的數(shù)據(jù)準確度,從而提升我國海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的國際認可度。
3.5針對特殊海域研制海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)我國已有的海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)具有通用性,但缺少針對特殊海域的專用標準物質(zhì)。以國家海洋局第二海洋研究所研制的硝酸鹽系列標準物質(zhì)為例,其濃度為0.0~15.0μmol/L,而南海深層海水的硝酸鹽濃度要高于30μmol/L,即該系列標準物質(zhì)不能完全適用于所采集的海水樣品。因此,亟須滿足不同海域海水營養(yǎng)鹽高靈敏度分析的研究需求:針對河口區(qū)域鹽度變化較大的海域,可研制相應(yīng)鹽度的海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì);針對外海真光層海水營養(yǎng)鹽濃度較低的海域,可研制相應(yīng)濃度的海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)。
4結(jié)語
隨著海洋研究的深入,國內(nèi)各涉海單位對海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的需求日益增強。我國海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì)的研制已有一定的基礎(chǔ),但與海洋發(fā)達國家相比仍存在較大差距。我國應(yīng)整合海洋標準物質(zhì)研發(fā)資源,建立量傳溯源體系和研發(fā)推廣平臺,鼓勵研制高水平的海水營養(yǎng)鹽標準物質(zhì),并適時納入國家標準物質(zhì)資源共享平臺,積極組織參與全球?qū)嶒炇议g比對,進一步提升我國海洋標準物質(zhì)的整體水平,逐步滿足海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋生物資源開發(fā)利用和海洋科學(xué)研究的需求。
作者：朱勇1,2;施曉來1,2;劉強1,2;鄭金姣1,2;陳建芳1,2 單位：1.國家海洋局第二海洋研究所；2.國家海洋局海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學(xué)重點實驗室
