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海水营养盐标准物质的研制及发展

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摘要:文章分析我国和国际海水营养盐标准物质的研制情况,重点介绍国际海洋标准物质知名组织或机构以及海水营养盐数据全球实验室间比对工作。在此基础上,提出我国海水营养盐标准物质研制的发展方向,主要包括建立海洋标准物质分类和管理体系、建立国家海洋标准物质研制组织或机构、参与海水营养盐数据全球实验室间比对、改进海水营养盐标准物质配制基底和方法以及针对特殊海域研制海水营养盐标准物质5个方面,以期满足海洋环境监测、海洋生物资源开发利用和海洋科学研究的需求。

关键词:海水营养盐;海洋标准物质;实验室间比对;标准计量;海洋监测

0引言

营养盐是海洋浮游生物生长所必需的营养元素,是其生命活动的物质基础。海水营养盐作为海洋生物地球化学研究的基础参数之一,通常指海水中的硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐和铵盐5种物质。在海洋浮游植物光合作用的过程中,海水营养盐被其吸收、利用和固定,通过食物链向上传递;部分有机营养盐伴随颗粒沉降向深海输送,在微生物降解等的作用下再转化为无机营养盐;也可被上升流带回真光层,继续供给浮游生物[1]。海水营养盐是海洋生物泵和初级生产力等研究的基础,不仅对海洋初级生产过程发挥至关重要的作用,而且决定其他生源要素的生物地球化学循环。我国对海水营养盐的研究主要集中在不同海域含量分布规律和季节变化趋势[2]。当营养盐含量不足时,就会抑制浮游生物的生长[3];当营养盐含量过高时,则会导致海水富营养化,甚至引发赤潮,严重威胁海洋生态环境和海洋渔业,同时提高生态环境保护和水处理成本。目前海水营养盐已成为我国海洋监测的必测参数,准确可靠的营养盐数据是开展相关海洋科学研究的基本要求和基础保障。为提高不同实验室在不同航次所获数据的可比性,须解决2个问题:①采用准确、可靠且统一的标准分析方法和操作步骤,一般为国际认可的参考方法;②采用被普遍认可的统一标准物质,保证量值传递和测定结果的一致性。目前我国已制定《海洋监测规范》[4]和《海洋调查规范》[5],从而解决了第1个问题;解决第2个问题则需研制海水营养盐标准物质。标准物质是具有一种或多种足够均匀和已被确定的特性值的材料或物质,类似于质量测定体系中的“砝码”,用以传递量值,保证测定结果的一致性、可靠性和可比性,可用于校准仪器、评价测量方法和为材料赋值[6]。自1906年美国标准局正式制备和颁布首批标准物质至今[7],标准物质在仪器校准、实验室评估、方法验证和质量控制等方面的研究和应用越来越受关注和重视。我国海洋标准物质的发展相对缓慢,《全国海洋计量“十三五”发展规划》中明确提出海洋计量标准装置、海洋标准物质、海洋量传溯源技术方法、海洋计量科技创新、海洋计量技术规范制修订和海洋计量科技成果转化6个重点发展方向,其中“加强海洋标准物质的研究和研制”部分明确将海水营养盐标准物质作为海水基本要素和污染物标准物质研制的重点。

1我国海水营养盐标准物质的研制

我国自1949年后开始标准物质研制的相关工作,1980年成立国家级标准物质研究所(后更名为国家标准物质中心),集合国内冶金、建材、化工、能源、核材料、环保、国防和计量等领域的20余个部门和科研机构,编制相关发展规划并组织实施。经过多年的努力,我国标准物质研制工作取得飞速发展[8],截至2016年年底,已有国家一级有证标准物质2265种和国家二级有证标准物质7471种。我国海洋标准物质的研制始于20世纪70年代,目前研制单位主要包括国家海洋局第二海洋研究所、国家海洋环境监测中心、国家海洋局第一海洋研究所和国家海洋标准计量中心,此外中国计量科学研究院、原国家卫生部、中国环境科学研究院生态所、国家地质实验测试中心等也参与部分研制工作[9]。杨丹等[9]总结我国已有海洋标准物质,包括海水水质(理化特性、无机盐、有机物和金属等)标准物质、海洋生物标准物质和海洋沉积物标准物质等。根据2017年出版的《中华人民共和国标准物质目录(2016版)》[10],以硝酸盐为例,在我国环境领域涉及硝酸盐的44种标准物质中,仅有国家海洋局第二海洋研究所和国家海洋环境监测中心进行海水硝酸盐标准物质的研制,其他海水营养盐标准物质的研制情况也类似。其中,国家海洋局第二海洋研究所自1976年研制海水营养盐标准物质,研究基础较好,且已实现硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐和铵盐等一级和二级标准物质的产品化。然而我国海水营养盐标准物质在种类、数量和研制单位等方面与海洋发达国家和其他国内行业相比均存在较大差距。

2国际海水营养盐标准物质的研制

目前国际最知名的标准物质研究机构是国际标准化组织(ISO)的标准物质委员会(REMCO),国际标准物质数据库(COMAR)是目前国际最大和最全面的标准物质数据库[11]。此外,欧美国家也有较多权威的标准物质研究机构,如美国国家标准技术研究所(NIST)、欧盟标准物质与测量研究所(IRMM)、英国政府化学家实验室(LGC)、联邦德国材料研究和测试研究所(BAM)等。海洋标准物质领域较知名的国际研究机构主要是标准和标准物质专家组(GESREM),该组织于1987年由政府间海洋学委员会(IOC)、国际原子能机构(IAEA)和联合国环境规划署(UNEP)联合成立,主要致力于海洋标准物质的研究,并以联合国教科文组织(UNESCO)技术报告等形式发布特定调查项目和海域的标准物质研制情况;早在1991年,该组织就在UNESCO中明确提出以高优先级别发展海水营养盐标准物质的急切需求[12-13]。有众多海洋学者致力于海洋标准物质的研究工作,如Aminot等[14-15]详细描述以实际海水为基底配制海水营养盐标准物质的具体步骤,采用高压灭菌的方法延长该标准物质的保存时间,并将该标准物质应用于第4届和第5届国际海洋调查理事会(ICES)海水营养盐实验室间比对研究[16]。为保证全球实验室间海水营养盐数据的可比性,国际研究机构非常重视实验室间比对工作。ICES自1965年起已组织5次全球实验室间海水营养盐数据比对[17]。美国国家海洋与大气管理局(NOAA)和加拿大国家研究委员会(NRC)分别于2000年和2002年针对NRC研制的海水营养盐标准物质MOOS-1进行实验室间比对[18-19]。日本气象研究所(MRI)和其他合作机构分别于2003年、2006年、2008年、2012年和2014年连续定期组织全球实验室间海水营养盐样品的比对研究[19-20],并发布测定结果的技术报告;一些新发展的海水标准物质研究机构也积极参与,如2014年韩国海洋科学技术研究所和荷兰皇家海洋研究所均提供新研制的海水营养盐标准物质供全球比对使用[20];值得一提的是,我国也有2家实验室参与MRI组织的全球实验室间比对研究。为推动全球海洋营养数据的可比性(COMPONUT),国际海洋研究科学委员会(SCOR)专门成立147工作组(WG#147),日本海洋地球科学与技术研究社(JAMSTEC)积极参与该组织,并发布相关海水营养盐标准物质。

3我国海水营养盐标准物质研制的发展方向

3.1建立海洋标准物质分类和管理体系我国的标准物质按属性和应用领域分为地质矿产成分分析、环境化学分析、食品成分分析以及物理特性和物理化学特性测量4个大类,并未形成专门的海洋标准物质分类。我国已有的国家一级和二级海洋标准物质不到150种,而国际海洋标准物质已有2000余种[21]。因此,亟须政策导向和经费支持,大力推进海洋标准物质的研制工作,同时参考国际研究进展,建立科学、完善和合理的海洋标准物质分类和管理体系。

3.2建立国家海洋标准物质研制组织或机构为提高海水营养盐数据的可比性,国际已建立海水营养盐标准物质研制的专门组织或机构,联合较大的全球性海洋调查项目或依托全球顶尖标准物质研究机构,具有较高的知名度。因此,亟须建立包括海水营养盐标准物质在内的、具有国家代表性和国际知名度的海洋标准物质研制组织或机构,扩大我国在全球实验室间比对和交流中的优势。

3.3参与海水营养盐数据全球实验室间比对全球实验室间海水营养盐数据比对自1965年就已开展,并得到各国的积极响应和推广,形成较大规模和较高知名度。我国仅有部分高校和研究机构的个别实验室参与此项工作,且海水营养盐标准物质研制机构并未参与,无法及时了解和跟进相关国际最新进展。因此,我国海水营养盐标准物质研制机构应积极主动与国际知名标准物质研究机构开展学术合作交流,有针对性地参与全球实验室间比对,从而提高我国海水营养盐标准物质的质量,并纳入国际化轨道。

3.4改进海水营养盐标准物质配制基底和方法我国已有的海水营养盐标准物质部分以3.05%NaCl溶液为基底配制,部分以超纯水为基底配制;而国际海水营养盐标准物质都以相应处理后的天然大洋海水为基底配制。因此,亟须改进配制基底和方法,减少基底差异引起的误差,确保标准物质在应用时的数据准确度,从而提升我国海水营养盐标准物质的国际认可度。

3.5针对特殊海域研制海水营养盐标准物质我国已有的海水营养盐标准物质具有通用性,但缺少针对特殊海域的专用标准物质。以国家海洋局第二海洋研究所研制的硝酸盐系列标准物质为例,其浓度为0.0~15.0μmol/L,而南海深层海水的硝酸盐浓度要高于30μmol/L,即该系列标准物质不能完全适用于所采集的海水样品。因此,亟须满足不同海域海水营养盐高灵敏度分析的研究需求:针对河口区域盐度变化较大的海域,可研制相应盐度的海水营养盐标准物质;针对外海真光层海水营养盐浓度较低的海域,可研制相应浓度的海水营养盐标准物质。

4结语

随着海洋研究的深入,国内各涉海单位对海水营养盐标准物质的需求日益增强。我国海水营养盐标准物质的研制已有一定的基础,但与海洋发达国家相比仍存在较大差距。我国应整合海洋标准物质研发资源,建立量传溯源体系和研发推广平台,鼓励研制高水平的海水营养盐标准物质,并适时纳入国家标准物质资源共享平台,积极组织参与全球实验室间比对,进一步提升我国海洋标准物质的整体水平,逐步满足海洋环境监测、海洋生物资源开发利用和海洋科学研究的需求。

作者:朱勇1,2;施晓来1,2;刘强1,2;郑金姣1,2;陈建芳1,2 单位:1.国家海洋局第二海洋研究所;2.国家海洋局海洋生态系统与生物地球化学重点实验室

海水营养盐标准物质的研制及发展责任编辑:张雨    阅读:人次
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