Оценка изменений климата и экологического состояния морской воды требует точного определения того, где органическое вещество попадает в океан. Это важно для принятия решений в случае стихийных бедствий или техногенных катастроф. Ученые из ведущих российских университетов поделились некоторыми подробностями, касающимися важности и результатов исследований в этой области.

Анализ речного стока для выяснения того, какие органические соединения поступают в моря арктического шельфа, дает довольно точную оценку того, сколько вечной мерзлоты растаяло. На состав органических соединений в морской воде также влияют соли тяжелых металлов и органические загрязнители, поступающие из бытовых и промышленных сточных вод. Поэтому ученые регулярно проверяют качество и количество морской воды в морской зоне.

Для оценки сезонных и пространственных изменений состава растворенных органических веществ используются различные физические и химические методы. Самым быстрым и дешевым из них является трехмерная флуоресцентная спектроскопия. Это работает, потому что органические вещества светятся в ультрафиолетовом свете, но природа излучаемого ими света зависит от их структуры.

Исследователи облучают исследуемые растворы нетрафиолетовым светом с разными длинами волн; набор излучаемых частот показывает, что это за вещество, а их интенсивность показывает, сколько его там. Это позволяет определить не только вещество, но и его содержание в воде.

В природе все сложнее, чем в лаборатории: морская вода содержит тысячи органических соединений, и невозможно идентифицировать все сразу по флуоресценции. Однако все, что нужно, - это определить содержание нескольких важных соединений. Поэтому для исследования морской воды широко используются оптические методы.

По словам Тимура Лабутина, доцента кафедры лазерной химии МГУ им. М.В. Ломоносова, наиболее важным и сложным вопросом является установление наименьшего числа значимых основных компонентов, которые можно использовать для расшифровки спектра.

«Экспериментальные спектры не могут сказать нам, сколько соединений участвовало в их образовании, поскольку линии отдельных спектров перекрываются. Поэтому для разбивки полученного спектра на составляющие используются современные математические методы, в частности PARAFAC (параллельный факторный анализ). Этот метод, основанный на статистических критериях, отлично подходит для спектрального анализа », - сказал профессор Sputnik.

Ученый добавил, что использование большего количества компонентов, чем есть на самом деле, может привести к ошибке. Формально разложение будет успешным, но программа выдаст один из бесконечного числа ответов, которые являются математически правильными, но неправильно описывают экспериментальные данные.

В настоящее время используются различные эмпирические подходы для оценки «правильного» количества компонентов, которые сформировали результирующие спектры, что позволяет опытному исследователю выбрать правильный вариант.

Сотрудники химического факультета МГУ под руководством Лабутина предложили алгоритм подбора количества компонентов, что значительно повысило достоверность результата. Иван Крылов, аспирант кафедры лазерной химии МГУ, внес значительный вклад в исследования, как и другие студенты и аспиранты кафедры.

Разработка молодых ученых, поэтически названная «Альбатрос», улучшит определение того, откуда берутся органические вещества в океане, что очень важно при оценке изменения климата и экологическом мониторинге морских вод. Алгоритм был успешно применен при изучении проб, собранных во время экспедиции на шельф морей Российской Арктики.

Ученые Института океанологии им. П.Н. Ширшова РАН успешно использовали пакет Albatross R для анализа более 60 проб воды из моря Лаптевых, Карского моря и прибрежных вод Новой Земли во время экспедиции на исследовательском судне. Академик Мстислав Келдыш.

Получение информации в режиме реального времени о состоянии зоны континентального шельфа имеет решающее значение для понимания того, как реагировать на природные или техногенные катастрофы, сказала Наталья Тарасова, член Российской академии наук и директор Института химии и проблем Устойчивое развитие в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева.

«Также крайне важно определить характер содержания углерода в прибрежных водах, связанный с изменениями речного стока, вызванными изменением климата. Надеемся, что вскоре разработка будет запущена в серийное производство », - сказала Тарасова Sputnik.

Ученые МГУ предлагают использовать для мониторинга окружающей среды портативные флуорометры, которые настроены на анализ воды в реальном времени с помощью пакета Albatross R. Такая система позволит ученым уточнить масштабы экологических инцидентов, маршруты миграции естественных и загрязненных вод и, при необходимости, определить источник загрязнения.

Результаты исследования опубликованы в журнале. Хемометрия и интеллектуальные лабораторные системы.
Источник