Российские ученые усовершенствовали метод мониторинга морской воды

Анализ органических соединений, поступающих в арктические шельфовые моря со стоком рек, позволяет довольно точно оценить масштабы таяния вечной мерзлоты. Также на состав органики в морской воде влияют соли тяжелых металлов и органические загрязнители, поступающие с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами. Поэтому ученые регулярно проверяют качественный и количественный состав морской воды в шельфовой зоне.

Для оценки сезонных и пространственных изменений состава растворенной органики используются различные физико-химические методы. Самый быстрый и дешевый из них – 3D-флуоресцентная спектроскопия. Метод основан на том, что органические вещества могут светиться в ультрафиолете, причем характер испускаемого ими света строго зависит от их структуры.

Исследователи облучают изучаемые растворы ультрафиолетом разной длины волны, при этом каждое из растворенных веществ излучает набор частот, который не зависит от его концентрации в растворе. В то же время от концентрации зависит интенсивность излучения. Именно это сочетание 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 идентифицировать все сразу по спектрам флуоресценции невозможно. Но для решения научных и практических задач полная информация о составе раствора и не нужна, достаточно определить содержание нескольких значимых соединений. Поэтому оптические методы широко используются для изучения морской воды.

Самым важным и сложным становится вопрос минимального числа значимых компонент, с помощью которого можно расшифровать спектр, отметил доцент кафедры лазерной химии Химического факультета Московского государственного университета (МГУ) им. М.В. Ломоносова Тимур Лабутин.

"По экспериментальным спектрам нельзя сказать, сколько соединений участвовало в их формировании, так как линии индивидуальных спектров перекрываются. Поэтому используются современные математические методы, позволяющие разложить полученный спектр на составляющие, в частности PARAFAC (parallel factor analysis). Это метод, основанный на статистическом критерии, отлично подходит для анализа спектра", – рассказал Лабутин.

По его словам, использование большего количества компонент, чем есть на самом деле, может привести к ошибке. Формально разложение успешно завершится, но при этом программа выдаст один из бесконечного количества ответов, которые математически корректны, но неверно описывают экспериментальные данные.

Сейчас для оценки "правильного" количества компонент, сформировавших полученные спектры, используются различные эмпирические подходы, позволяющие опытному экспериментатору "на глазок" выбрать правильный вариант.

Сотрудники Химического факультета МГУ под руководством Тимура Лабутина предложили алгоритм выбора числа компонент, который существенно повысил надежность результата. Существенный вклад в исследования внес аспирант кафедры лазерной химии Химического факультета МГУ Иван Крылов, в работе принимали активное участие другие студенты и аспиранты кафедры.

Разработка молодых ученых, получившая поэтическое название "Альбатрос", позволит точнее определять источники поступления органического вещества в океан, что очень важно для оценки климатических изменений и экологического мониторинга морских вод. Алгоритм успешно применен при изучении проб, собранных в ходе экспедиции по шельфовым морям российской Арктики.

Ученые из Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН успешно использовали пакет "Альбатрос" для анализа более 60 образцов воды моря Лаптевых, Карского моря и прибрежных вод Новой Земли прямо во время экспедиции на судне "Академик Мстислав Келдыш".

Получение информации о состоянии шельфовой зоны Мирового океана в реальном режиме времени – важнейшее условие адекватных действий в случае природных или техногенных катастроф, сообщила член-корреспондент РАН, директор Института химии и проблем устойчивого развития Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева Наталия Тарасова.

"Также крайне важно определять формы присутствия органического углерода в прибрежных водах, связанные с изменением речного стока под действием климатических изменений. Мы надеемся, что разработка будет реализована в серийный прибор в ближайшее время", - рассказала Тарасова.

Ученые МГУ предлагают использовать для экологического мониторинга портативные датчики-флуориметры, настроенные на анализ вод в режиме реального времени с помощью пакета "Альбатрос"). Подобная система позволит прояснить масштаб экологических происшествий, пути миграции природных и загрязненных вод, и, при необходимости, обнаружить источник загрязнения.