史大林乘坐“嘉庚”號科考船出海科考。受訪對象供圖

史大林在“潔凈實驗室”做實驗。受訪對象供圖

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當2011年，史大林和妻子洪海征前后腳回到母校廈門大學，進入近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室任職后，擺在他們面前的是兩條路——

一條路國內(nèi)幾乎無人涉足，研究海洋中藻類與痕量金屬；另一條路則是安全穩(wěn)妥的，研究其他更易控制的因素對藻類生產(chǎn)力的影響。“前者的研究方向，實現(xiàn)起來困難重重。后者，是大多數(shù)人選擇的傳統(tǒng)方向。”史大林的心不免搖擺。

最終，他們選擇了少有人走的路，勇于冒險進入未知領(lǐng)域。

“痕量”，指的是極小的量，在海洋中，一些痕量元素（例如鐵、磷）的濃度往往在納摩爾/升甚至更低的水平。去年11月，史大林團隊揭示了海洋中磷濃度下降會加劇海洋酸化對束毛藻固氮作用的抑制效應及其機理，為理解和預測全球變化對海洋氮循環(huán)的影響及其生物地球化學效應提供了重要科學依據(jù)。

“當二氧化碳升高時，海水的pH會下降，造成海洋酸化。我們發(fā)現(xiàn)，海洋酸化會抑制束毛藻固氮的功能，隨著海水中磷濃度的下降，這種抑制作用會增強。”史大林說。

從全球變暖說起

2007年8月，在美國阿拉斯加灣外的一個鐵限制海區(qū)，史大林參加了一次為期42天的、他人生中的第一次出海科考。

“靠岸后，我們一路驅(qū)車前往冰川國家公園，一座又一座冰川映入眼簾，牌子上的年份代表著當年冰川的冰覆蓋到的地方，車越往前開，冰覆蓋的范圍就越小了。”這景象，令史大林震撼。

導致冰川消退的罪魁禍首，就是全球變暖。

工業(yè)革命以來，海洋吸收了約三分之一人為排放的二氧化碳，以迄今3億年來最快的速度酸化。“酸化加劇，影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵過程和功能。”史大林說。

“十四五”是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期。我國力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。“增匯，即增強吸收捕獲二氧化碳的能力，是實現(xiàn)‘雙碳’目標的重要方式之一。”史大林說。

如何增匯？被稱為大海中的“陽光使者”——浮游植物，能通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化為魚類等海洋生物能吸收利用的有機碳，是海洋中整個食物鏈、食物網(wǎng)的基礎(chǔ)。

在海洋浮游植物中，還有一種特別的存在——固氮藻類（如，束毛藻）。“它們可以通過體內(nèi)的固氮酶，將氮氣轉(zhuǎn)化為生物可利用的氮營養(yǎng)鹽，從而給自己和其他浮游植物提供營養(yǎng)。”史大林說。

換句話說，有了固氮藻類“施肥”，其他浮游植物便可獲得養(yǎng)分執(zhí)行光合作用、吸收大氣中的二氧化碳，從而調(diào)節(jié)全球氣候。

這些看不見摸不著的固氮藻類，讓史大林傾注了十多年心血。“海水酸化，對藻類固氮起到怎樣的作用？海洋中痕量元素的濃度下降，對藻類的生產(chǎn)力產(chǎn)生怎樣的影響？”

理想狀態(tài)下，似乎把海藻培養(yǎng)在不同的海水環(huán)境里測一測，就能得到答案。但史大林對此卻存疑，“海洋中的各種因素和成分與實驗室里不盡相同，所用的人工海水若被污染，一旦有配方外的其他物質(zhì)混入，也會影響束毛藻的生長”。

他想在廈大，建一個達到國際最高標準的“潔凈實驗室”。

打造“潔凈實驗室”

“潔凈實驗室”，要求空氣中顆粒物含量得足夠低——所有的東西都得是非金屬材質(zhì)：塑料實驗臺，塑料燈罩，就連螺絲釘也得是塑料的。

“麻煩事”還有很多。“還需要一臺全年無休的機器過濾空氣，將金屬顆粒擋在門外，電費投入也很可觀。頭疼的是，實驗中要用到的鹽酸需要高純度，但當時國內(nèi)的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，能用的幾乎沒有。”史大林說。

對于年輕學者而言，選擇這個方向意味著需要大量資金投入實驗室建設(shè)、設(shè)備和耗材。“即使投入巨大，產(chǎn)出也難保障，風險太大了。”這是許多同行的評價。

史大林沒有輕言放棄。“搜遍了各個電商平臺，找到合適的塑料建材；又花了小一年，找到符合純度的鹽酸供應商。”團隊在科研經(jīng)費上精打細算，2014年，在廈門大學翔安校區(qū)建成了這間達到國際最高標準的“潔凈實驗室”。

自此，他們放開手腳，逐步提升研究的復雜度，從一個因子對藻類的影響，到更多因子的綜合影響。

其間，團隊結(jié)合碳、氮穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)以及分子生物學和多組學技術(shù)，解析海洋初級生產(chǎn)關(guān)鍵過程對環(huán)境因子改變的響應。

“我們發(fā)現(xiàn)，海水酸化會抑制束毛藻的固氮作用，還發(fā)現(xiàn)痕量金屬鐵和磷營養(yǎng)等的缺乏，會加劇酸化對束毛藻的生長和固氮的負效應。”史大林說。

航海“漂流”記

不滿足于實驗樓里的“潔凈實驗室”，史大林團隊還在一次次嘗試、一次次失敗中，把實驗室“搬”到海上。

2022年9月，浩瀚南海之上，一艘航船發(fā)出有節(jié)奏的轟鳴。甲板上，史大林帶著團隊忙碌著，借助團隊建立的海上“痕量金屬潔凈實驗室”和痕量金屬潔凈海水采集系統(tǒng)——“飛魚拖體”，開展科考任務。

實驗的條件極為苛刻。

從南海抽上來的由“飛魚”采集的潔凈海水，依次經(jīng)過魚體、隔膜泵、采水管等，直接接入集裝箱潔凈室，隨后，科考隊員身著“大白”服進行水樣分裝。其間，科考隊員需要接力，多次將承載10升以上海水的培養(yǎng)桶往返搬運于實驗室和甲板，對其進行不同的實驗處理，每次實驗需要搬運上百升的海水。

“除了體力的巨大消耗，還需要科考人員時刻保持清醒的頭腦。”此類科考，在史大林團隊愈發(fā)常態(tài)化。他們對包括南海北部海盆和熱帶西北太平洋在內(nèi)的大面積海區(qū)的固氮速率和固氮生物群落開展了大尺度、高分辨率的觀測。

這一次，團隊利用嵌入通用地球系統(tǒng)模型的生物地球化學元素循環(huán)模型的模擬結(jié)果，估算了海洋酸化和磷限制的耦合對全球海洋束毛藻固氮作用的影響。“結(jié)果表明，至本世紀末全球海洋束毛藻固氮作用將因酸化和磷限制的聯(lián)合作用下降，下降程度以西太平洋和北印度洋最為顯著。”

在這一條人跡罕至的路上，史大林團隊的累積越來越多。“我們還會堅持現(xiàn)場觀測的工作，研究的范圍也會漸漸從南海擴大到太平洋，再到全球海域。”

“海洋既是緩解氣候變化的執(zhí)行者，也是氣候變化的受害者。”在史大林看來，憑著已有的知識，就可以行動起來為探索海洋、保護海洋做很多事了。“就像在與冰川消融的速度反向賽跑，需要每一代人不停地接力。”（記者 林霞）