研究背景

        多环芳烃（PAHs）是一类半挥发性有机污染物。由于其对健康的不利影响，如致癌、致畸和致突变作用，已引起人们的广泛关注。PAHs在全球海洋环境中无处不在，它们可以参与海洋生物地球化学循环，其中生物降解和颗粒沉降是PAHs两个主要的汇。此外，海洋学过程，例如，洋流、锋面和涡流，同样可以直接影响PAHs的分布。

        海洋分层在各种生物地球化学过程中起着至关重要的作用，包括调节垂直混合以及热量、氧气和营养物质。然而在气候变化背景下，全球海洋分层的加剧进一步影响了营养物质、有机物和污染物的生物地球化学循环。而海洋分层对PAHs的运输和命运的影响知之甚少。

研究结果

        本文选取了全球大洋（包括北冰洋、大西洋、印度洋、太平洋和南大洋）以及边缘海（南海和白令海）共7个区域，并在垂直剖面上受湍流混合影响最小的水柱中进行了溶解态PAHs的收集。发现PAHs的垂直分布与海洋初级生产力和分层指数有不同的模式。值得注意的是，分层指数（通过密度随深度的变化来量化）与∑₉PAHs储量之间存在明显的正对数关系（R²=0.50，p<0.05）,表明分层指数的增加可能会促使PAHs在水体中的储存量达到一个特定的上限。然而，类似的对数关系并不适用于∑_3环PAHs和∑_4环PAHs储量，这反映了传统统计方法在解读复杂关系方面的局限性。因此，为了进一步研究海洋分层对PAHs的影响，我们开发了一个深度学习神经网络模型。该模型包含了决定海水状态或PAHs储量的7个输入变量，它们包括表层PAHs浓度、水层高度、水层中层深度、分层指数、温度方差、盐度方差和密度方差。结果表明，模拟的PAHs储量与观测值非常吻合（R²≥0.92），表明海水分层的加剧可能会促使PAHs在水柱中积累，并可能作为阻碍其生物降解或颗粒输出的物理屏障。

        本研究旨在利用传统的统计方法和新颖的深度学习方法揭示海洋分层与PAHs储量之间的关系。鉴于全球变暖效应的扩大，必须更加关注海洋分层的加剧及其对有机污染物环境归宿的影响。

研究团队及资助

        该论文第一作者为厦门大学海洋与地球学院博士毕业生刘萌阳，通讯作者为蔡明刚教授。该研究获得国家自然科学基金项目（2005207、41976216和 41776088）资助。

        论文来源：Mengyang Liu, Haowen Zheng, Minggang Cai, et al. 2023. Ocean Stratification Impacts on Dissolved Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs): From Global Observation to Deep Learning. Environmental Science & Technology [J], 57: 18339-18349.

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c03237