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摘要:文章分析我國和國際海水營養鹽標準物質的研制情況,重點介紹國際海洋標準物質知名組織或機構以及海水營養鹽數據全球實驗室間比對工作。在此基礎上,提出我國海水營養鹽標準物質研制的發展方向,主要包括建立海洋標準物質分類和管理體系、建立國家海洋標準物質研制組織或機構、參與海水營養鹽數據全球實驗室間比對、改進海水營養鹽標準物質配制基底和方法以及針對特殊海域研制海水營養鹽標準物質5個方面,以期滿足海洋環境監測、海洋生物資源開發利用和海洋科學研究的需求。

關鍵詞:海水營養鹽;海洋標準物質;實驗室間比對;標準計量;海洋監測

0引言

營養鹽是海洋浮游生物生長所必需的營養元素,是其生命活動的物質基礎。海水營養鹽作為海洋生物地球化學研究的基礎參數之一,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。在海洋浮游植物光合作用的過程中,海水營養鹽被其吸收、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化為無機營養鹽;也可被上升流帶回真光層,繼續供給浮游生物[1]。海水營養鹽是海洋生物泵和初級生產力等研究的基礎,不僅對海洋初級生產過程發揮至關重要的作用,而且決定其他生源要素的生物地球化學循環。我國對海水營養鹽的研究主要集中在不同海域含量分布規律和季節變化趨勢[2]。當營養鹽含量不足時,就會抑制浮游生物的生長[3];當營養鹽含量過高時,則會導致海水富營養化,甚至引發赤潮,嚴重威脅海洋生態環境和海洋漁業,同時提高生態環境保護和水處理成本。目前海水營養鹽已成為我國海洋監測的必測參數,準確可靠的營養鹽數據是開展相關海洋科學研究的基本要求和基礎保障。為提高不同實驗室在不同航次所獲數據的可比性,須解決2個問題:①采用準確、可靠且統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一標準物質,保證量值傳遞和測定結果的一致性。目前我國已制定《海洋監測規范》[4]和《海洋調查規范》[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鹽標準物質。標準物質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,類似于質量測定體系中的“砝碼”,用以傳遞量值,保證測定結果的一致性、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至今[7],標準物質在儀器校準、實驗室評估、方法驗證和質量控制等方面的研究和應用越來越受關注和重視。我國海洋標準物質的發展相對緩慢,《全國海洋計量“十三五”發展規劃》中明確提出海洋計量標準裝置、海洋標準物質、海洋量傳溯源技術方法、海洋計量科技創新、海洋計量技術規范制修訂和海洋計量科技成果轉化6個重點發展方向,其中“加強海洋標準物質的研究和研制”部分明確將海水營養鹽標準物質作為海水基本要素和污染物標準物質研制的重點。

1我國海水營養鹽標準物質的研制

我國自1949年后開始標準物質研制的相關工作,1980年成立國家級標準物質研究所(后更名為國家標準物質中心),集合國內冶金、建材、化工、能源、核材料、環保、國防和計量等領域的20余個部門和科研機構,編制相關發展規劃并組織實施。經過多年的努力,我國標準物質研制工作取得飛速發展[8],截至2016年年底,已有國家一級有證標準物質2265種和國家二級有證標準物質7471種。我國海洋標準物質的研制始于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、國家海洋環境監測中心、國家海洋局第一海洋研究所和國家海洋標準計量中心,此外中國計量科學研究院、原國家衛生部、中國環境科學研究院生態所、國家地質實驗測試中心等也參與部分研制工作[9]。楊丹等[9]總結我國已有海洋標準物質,包括海水水質(理化特性、無機鹽、有機物和金屬等)標準物質、海洋生物標準物質和海洋沉積物標準物質等。根據2017年出版的《中華人民共和國標準物質目錄(2016版)》[10],以硝酸鹽為例,在我國環境領域涉及硝酸鹽的44種標準物質中,僅有國家海洋局第二海洋研究所和國家海洋環境監測中心進行海水硝酸鹽標準物質的研制,其他海水營養鹽標準物質的研制情況也類似。其中,國家海洋局第二海洋研究所自1976年研制海水營養鹽標準物質,研究基礎較好,且已實現硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽和銨鹽等一級和二級標準物質的產品化。然而我國海水營養鹽標準物質在種類、數量和研制單位等方面與海洋發達國家和其他國內行業相比均存在較大差距。

2國際海水營養鹽標準物質的研制

目前國際最知名的標準物質研究機構是國際標準化組織(ISO)的標準物質委員會(REMCO),國際標準物質數據庫(COMAR)是目前國際最大和最全面的標準物質數據庫[11]。此外,歐美國家也有較多權威的標準物質研究機構,如美國國家標準技術研究所(NIST)、歐盟標準物質與測量研究所(IRMM)、英國政府化學家實驗室(LGC)、聯邦德國材料研究和測試研究所(BAM)等。海洋標準物質領域較知名的國際研究機構主要是標準和標準物質專家組(GESREM),該組織于1987年由政府間海洋學委員會(IOC)、國際原子能機構(IAEA)和聯合國環境規劃署(UNEP)聯合成立,主要致力于海洋標準物質的研究,并以聯合國教科文組織(UNESCO)技術報告等形式特定調查項目和海域的標準物質研制情況;早在1991年,該組織就在UNESCO中明確提出以高優先級別發展海水營養鹽標準物質的急切需求[12-13]。有眾多海洋學者致力于海洋標準物質的研究工作,如Aminot等[14-15]詳細描述以實際海水為基底配制海水營養鹽標準物質的具體步驟,采用高壓滅菌的方法延長該標準物質的保存時間,并將該標準物質應用于第4屆和第5屆國際海洋調查理事會(ICES)海水營養鹽實驗室間比對研究[16]。為保證全球實驗室間海水營養鹽數據的可比性,國際研究機構非常重視實驗室間比對工作。ICES自1965年起已組織5次全球實驗室間海水營養鹽數據比對[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研制的海水營養鹽標準物質MOOS-1進行實驗室間比對[18-19]。日本氣象研究所(MRI)和其他合作機構分別于2003年、2006年、2008年、2012年和2014年連續定期組織全球實驗室間海水營養鹽樣品的比對研究[19-20],并測定結果的技術報告;一些新發展的海水標準物質研究機構也積極參與,如2014年韓國海洋科學技術研究所和荷蘭皇家海洋研究所均提供新研制的海水營養鹽標準物質供全球比對使用[20];值得一提的是,我國也有2家實驗室參與MRI組織的全球實驗室間比對研究。為推動全球海洋營養數據的可比性(COMPONUT),國際海洋研究科學委員會(SCOR)專門成立147工作組(WG#147),日本海洋地球科學與技術研究社(JAMSTEC)積極參與該組織,并相關海水營養鹽標準物質。

3我國海水營養鹽標準物質研制的發展方向

3.1建立海洋標準物質分類和管理體系我國的標準物質按屬性和應用領域分為地質礦產成分分析、環境化學分析、食品成分分析以及物理特性和物理化學特性測量4個大類,并未形成專門的海洋標準物質分類。我國已有的國家一級和二級海洋標準物質不到150種,而國際海洋標準物質已有2000余種[21]。因此,亟須政策導向和經費支持,大力推進海洋標準物質的研制工作,同時參考國際研究進展,建立科學、完善和合理的海洋標準物質分類和管理體系。

3.2建立國家海洋標準物質研制組織或機構為提高海水營養鹽數據的可比性,國際已建立海水營養鹽標準物質研制的專門組織或機構,聯合較大的全球性海洋調查項目或依托全球頂尖標準物質研究機構,具有較高的知名度。因此,亟須建立包括海水營養鹽標準物質在內的、具有國家代表性和國際知名度的海洋標準物質研制組織或機構,擴大我國在全球實驗室間比對和交流中的優勢。

3.3參與海水營養鹽數據全球實驗室間比對全球實驗室間海水營養鹽數據比對自1965年就已開展,并得到各國的積極響應和推廣,形成較大規模和較高知名度。我國僅有部分高校和研究機構的個別實驗室參與此項工作,且海水營養鹽標準物質研制機構并未參與,無法及時了解和跟進相關國際最新進展。因此,我國海水營養鹽標準物質研制機構應積極主動與國際知名標準物質研究機構開展學術合作交流,有針對性地參與全球實驗室間比對,從而提高我國海水營養鹽標準物質的質量,并納入國際化軌道。

3.4改進海水營養鹽標準物質配制基底和方法我國已有的海水營養鹽標準物質部分以3.05%NaCl溶液為基底配制,部分以超純水為基底配制;而國際海水營養鹽標準物質都以相應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,確保標準物質在應用時的數據準確度,從而提升我國海水營養鹽標準物質的國際認可度。

3.5針對特殊海域研制海水營養鹽標準物質我國已有的海水營養鹽標準物質具有通用性,但缺少針對特殊海域的專用標準物質。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鹽高靈敏度分析的研究需求:針對河口區域鹽度變化較大的海域,可研制相應鹽度的海水營養鹽標準物質;針對外海真光層海水營養鹽濃度較低的海域,可研制相應濃度的海水營養鹽標準物質。

4結語

隨著海洋研究的深入,國內各涉海單位對海水營養鹽標準物質的需求日益增強。我國海水營養鹽標準物質的研制已有一定的基礎,但與海洋發達國家相比仍存在較大差距。我國應整合海洋標準物質研發資源,建立量傳溯源體系和研發推廣平臺,鼓勵研制高水平的海水營養鹽標準物質,并適時納入國家標準物質資源共享平臺,積極組織參與全球實驗室間比對,進一步提升我國海洋標準物質的整體水平,逐步滿足海洋環境監測、海洋生物資源開發利用和海洋科學研究的需求。

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系統與生物地球化學重點實驗室