（海洋化学专业论文）水体硝态氮稳定同位素分析方法研究.pdf

独创声明 本人声i j 所2 交的学位论文是奉人在导师指导卜进行n 勺研究j 1 ：作及取得的研究成 果。据我所知，除j ，文l = p 特别j 以标注和致谢的地方外，论文l i 刁i 包含其他入已经发 袭或撰写过的研究成果，也4 + 8 。) 。研究区域内西北部地下水n 0 3 - 浓度较低，而61 5 n 较高，指示其 来源主要为土壤矿化的有机氮；西部和北部出现n 0 3 一浓度异常高的点污染，样品的 6n 0 3 乙1 5 n 值相对较低( + 4 + 6 ) ，指示地下水中n 0 3 - 来自化肥厂排放的、快速 入渗的污水。一个值得注意的问题是：并不是所有化肥导致的污染，其硝酸盐61 5 n 值都较低。氨肥造成的高浓度n h 4 + 在液相中的强烈挥发，导致较大的动力分馏现象， 使液相中残留的n h i + 富集1 n ，最终被硝化成富n 的n o 。+ 。张翠云等在调查石家 庄市地下水硝酸盐污染时，发现化肥厂地区的地表含氨污水61 5 n 值非常高( 张翠云 等，2 0 0 4 ) 。这种工业来源的含氨污水，如果经过较长时间挥发再渗入地下，有可能 造成与粪肥相当的61 5 n ，从而扰乱分析结果。 2 1 2 识别反硝化过程 反硝化过程是氮循环的一个重要过程，也是地下水n 0 3 - 浓度降低的主要过程， 是污水脱氮的机制。因此，利用氮同位素技术识别地下水中的反硝化过程，有利于 了解地下水对硝酸盐污染的恢复自净能力，对于研究地下水硝酸盐污染有重要意义。 另外，由于反硝化作用会导致氮同位素分馏，致使不同氮源的硝酸盐同位素组成值 域发生重合，所以，辨识反硝化过程也可以排除同位素分馏导致的n 源识别干扰。 反硝化作用的机理是：微生物利用硝酸盐作为电子受体，氧化有机碳，从而发生反硝 化作用，使硝酸盐脱氮。该反应对1 5 n o 。一和1 n o 。一显出差异，1 4 n o 。倾向于成为电子 受体，因此剩余硝酸盐富集1 5 n 。这也就是利用氮同位素技术识别硝化作用的最基本 机理。n 循环过程中反硝化作用是改变地下水中硝酸盐浓度的主要生化过程，满足 r a y l e i g h 方程： 6r = 6 l l o + ei n ( c 厄) 6r t 时刻剩余硝酸盐的61 5 n 值 6 初始时刻硝酸盐的61 5 n 值 1 3 永体硝态氮稳定同位素分析方法研究 e 分馏系数 c t 时刻剩余硝酸盐的浓度 c o 初始时刻硝酸盐的浓度 一般情况下，地下水中n 2 有两种起源：大气溶解和硝酸盐的反硝化。所以， b o e h l k e 等据此提出根据地下水中n 的61 5 n ，计算出反硝化作用产生的6 5 n ，从而 确定反硝化作用的发生程度及硝酸盐的初始n 同位素组成( b o e h l k e ，1 9 9 6 ) 。而w i l s o n 等则提出可以利用地下水中n 2 a r 的比值对比大气比值来确定是否发生反硝化作用 ( w i l s o n ，19 9 4 ) 。m a r i o t t i 等( 19 7 7 ) 提出分析硝酸盐的6 1 5 n 比分析n 2 的6 1 5 n 更适合研 究反硝化过程，主要原因是n 2 的收集和保存比较困难，并且很难确定n 2 产生的分 馏系数以及与反应物之间是否存在r a y l e i g h 关系。 2 261 5 n 方法在海洋研究中的应用 早在1 9 6 1 年，n 技术已被引入海洋中n 循环的研究( d u g d a l ee ta 1 ，1 9 6 1 ) ， 但研究局限于少数实验室，1 9 6 7 年d u g d a l e 和g o e r i n g 关于“初级生产力中新生n 与再生n 的吸收”论文的发表，开拓了海洋新生产力研究的新领域。随着同位素质 谱技术的不断完善和发展，n 同位素越来越广泛、深入地应用于海洋学研究中。 2 2 1 海洋环境中氮的同位素分布 海洋环境中的不同含氮物质具有不同的氮的同位素丰度，一般是由以下几个方 面的原因造成的： 氮的来源具有不同的氮的同位素底值，氮的存在形式不一样，生物吸收储存氮 的生化过程和吸收氮的程度不同，氮的生物地球化学过程中的分馏作用和同位素混 合作用等。因此，海洋中的不同的含氮物质的同位素的分布是具有一定程度的特异 性的，这也就为我们利用氮的同位素的方法来研究海洋环境提供了最基本的条件。 海洋中的氮的存在形态可以分为三部分：溶解态的无机氮和少量的溶解有机氮； 水体中的有机体；死亡有机体分解矿化后氮( 主要是沉积物中的氮) 。通常，从形态 上来说，无机态的n 的61 5 n 值相对较低，而有机态的n ，如生物体内n 的1 5 n 值 相对较高，如图1 3 所示： 1 4 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 图1 3 海洋中主要无机形态氨素及生物体中61 5 n 值 f i g 1 - 36 1 5 nv a l u e so fi n o r g a n i ca n do r g a n i cn i t r o g e ni nt h eo c e a m 2 2 2 海洋中氮的生物地球化学过程中可能发生的分馏效应 海洋中的氮，不论是正在被迁移中的氮( 水体中的氮) 还是相对静态的氮( 沉 积物中的氮) ，都在发生着生物地球化学变化。这些变化会不同程度地伴随着氮的分 馏过程，这些分馏作用一方面会阻碍我4 1 * 禾f j 用不同氮源具有不同的特征61 5 n 值的特 性来追踪研究氮的迁移输送，另一方面，相反的，这些分馏作用可以作为含氮物质 发生的生物地球化学变化的一个指示物，据此我们可以判断这种变化的类型和强度。 海洋中可能发生分馏作用一些生物地球化学过程主要有固氮作用，同化作用， 硝化作用，反硝化作用，还原作用，分解作用，氨基酸合成作用( h e r b e r t ，1 9 9 9 ) 。总 体上，这些作用由于不同的化学反应原理，其伴随发生的氮的分馏作用类型和程度 会有一些差距。同时，由于很多生物的、化学的、物理的参数都会不同程度影响到 氮的分馏，所以每一种氮的生物地球化学作用伴随发生的氮的分馏的程度也是不同 的。例如，生物的营养状态会影响氮的分馏( n a t h a l i ee ta 1 ，19 9 9 ；j a m e s m cc l e l l a n d a n dv a l i e l a1 9 9 7 ) ；不同的氮的营养盐在氮的同化作用中发生的分馏作用是不同的 ( 俞志明等，2 0 0 4 ；r i s a , 2 0 0 4 ) ；光照、溶解氧等因素也会通过影响发生的生物地 球化学反应来影响氮的分馏作用。 2 2 3 61 5 n 方法对海洋环境中富营养化的研究 沿海海域的营养物质结构和数量的改变是人类对海洋的主要影响作用后果之 一，这种影响作用主要是通过不同途径向海洋系统中排入n 、p 等营养物质造成的。 而含氮化合物量的大小是海域富营养化的一个主要表现因素，氮浓度的超标也已经 是很多海域的典型特点。所以，研究氮的来源以及其输送模式、其在一定的海域内 的分布以及发生的生物地球化学变化对于研究富营养化具有非常重要的意义。 1 5 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 2 2 3 161 啊作为判断人类对海域的影响程度和富营养化的程度的一种指标因子 一方面，由于人为活动影响而排入的氮营养盐的61 5 n 值域和大洋海水中氮的 本底61 5 n 值域是不一样的，这样反映在1 5 n 的载体( p o m 、大型藻类、鱼类等) 的61 5 n 值是不一样的，其变化在总趋势上也就可以反映人为富营养化的程度。另 一方面，富营养化导致的高d i n 浓度，会使得1 5 n 的主要载体即生物载体在吸收 d i n 的时候发生的分馏作用程度很小，从而会使得生物载体的1 5 n 值和本底值相比 变得很高，这样也就从原理上说明它可以指示人为造成的海域富营养化的程度。 这种方法的优势在于海洋中含氮物质的61 5 n 值可以在海域的富营养化的初期 就有所表现，可以很早地发现富营养化，从而可以及时地采取相应的环境措施，这 对沿海海域的生态系统的保护具有一定的意义。 m e c l e l l a n d 等( 1 9 9 7 ) 在对美国c a p ec o d e m a s s a c h u s e t t s 地区富营养化的研 究中，以此地区的七个河口为研究对象，主要研究氮物质的入海通量和食物链上的 61 5 n 关系，得出了食物链上的61 5 n 值可以作为判断海域富营养化的指示物的结论， 他们认为，61 5 n 的值可以在营养物质的通量很小的时候，在富营养化尚未对海域 的生态结构造成危害的时候发现富营养化现象。 另外，v o s sa n ds t r u c k ( 1 9 9 7 ) 等也发现，总体上来看，生物载体的n 同位素 的61 5 n 值随着废水所占比重的增加而增加。m a r c i ( 2 0 0 4 ) 等通过研究大型藻类载体 的61 5 n 和水体中废水所占的比重以及和d i n 的关系，也说明了1 5 n 作为研究并预测 水体富营养化的趋势的工具的有效性。 2 2 3 2 61 5 n 作为判断河口地区的氮营养盐的源和汇的示踪因子 海洋中的氮营养物质的输入和在海洋中的输送途径以及在海洋中形成的库对海 洋的生态系统的结构和近岸海洋环境的质量具有很重要的影响作用，而如何有效的 追踪到氮源，氮的输送途径，氮的汇集也就具有很重要的实际意义。 海洋中含氮营养物质的输入来源可以分为三个主要部分：大气沉降输入、生活 废水废物输入和农业合成肥料输入。由于三部分氮来源的综合61 5 n 值存在着差别， 分别分布在：+ 2 _ 一十8 、+ l p 叶2 0 和一3 一+ 3 ( k r e i t l e re ta 1 ，1 9 7 8 ；k r e i t l e ra n d b r o w n i n g ，19 8 3 ；a r a v e n a e ta 1 ，19 9 3 ；o s t r o ma n dm a e k o ，19 9 4 ；j a m e s ，m c c l e l l a n d 1 6 水体硝态氮稳定同位紊分析方法研究 a n dv a l i e l a ，1 9 9 7 ) ，基本不重合，所以61 5 n 方法具备了作为氮源示踪的一个前提 条件。 另一方面，由于氮在迁移输送的过程中不可避免地会发生一些同化、硝化、反 硝化等可以引起氮的严重分馏的反应，这也就使得这种方法具有局限性。所以，这 一方面的应用，在准确度上来说，目前还不能达到定量的程度。在应用范围来说， 目前仅仅局限在发生氮的分馏较少的情况，或者那些可以通过一些措施，如平行消 除分馏作用的方法，来最大限度地消除分馏作用对它的影响的情况。 另外，由于不同营养物质的来源的61 n 值可能存在着一定程度的重合，所以， 国际上常用6 1 80 结合6 1 5 n 来综合分析来源的问题，从而获得更加准确的结论。 2 3 61 啊方法的优势 在研究环境污染和富营养化问题时候，和传统的方法相比较，氮的稳定同位素 方法具有以下优点： 可以追踪到营养物质的直接的、详细的来源，从而可以有效地采取措施； 可以在富营养化初级阶段提前发现富营养化； 61 5 n 在不同的库之间一般会显示出比61 3 c 更大的变化，所以61 5 n 可以更 敏感地指示来源以及生物地球化学过程( o s t r o me ta 1 ， 19 9 7 ) ； 可以更好地发现和理解氮在传输过程中可能发生的生物地球化学过程； 6 1 5 n 方法很好地验证和补充了传统分类学方法在海洋生物食物链的相关研 究( c a b a n a & r a s m u s s e n ，1 9 9 4 ) 。 3 水体中硝态氮稳定同位素分析处理方法及比较 水体中硝酸盐氮同位素组成的测试方法由样品的预处理和质谱测定两部分组 成，其中样品的预处理方法包括样品的采集，样品中硝态氮的富集和硝态氮向氨态 氮的转化几个步骤。针对不同的水体所采用的方法是不同的。由于多种因素可影响 到氮素的多元转化性，从而影响到氮素分馏，因此样品的预处理过程很关键，是进 行后续同位素测定的前提。 氮同位素质谱测定一般直接测量的是气体，测定的精密度和准确度主要取决于 1 7 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 测试仪器及测试条件如温度等。目前为止大部分方法均是将含氮物质转化为n 2 作为 质谱测定的工作气体；近年来有人利用细菌反硝化原理将水体中的n o 转化为n 2 0 后直接进入质谱进行测定。 3 1 样品的预处理方法 3 1 1 样品采集方法 由于水体中氮有多种赋存形态且不稳定，各种形态之间可以互相转化，最主要 的是氮为主要的营养元素，易为微生物所吸收利用，从而导致同位素的分馏，因此 基于氮稳定同位素分析的样品采集过程就显得非常关键。一般而言用于理化分析的 t 水样采集之后，通用的方法是向水样中加入毒化试剂如氯仿或氯化汞，然后低温保 存，目的主要是抑制微生物的活动。对氮同位素样品来说，由于所要分析的对象中 氮的含量通常非常低，为了保证质谱分析的准确度和精确度，常常需要采集几升甚 至十几升的样品( 邓林等，2 0 0 7 ；肖化云等，2 0 0 2 ；张翠云等，2 0 0 4 ；s i l v ae ta i ，2 0 0 0 ) ， 增加了取样和保存样品的难度。近年来一种可应用于淡水水体的阴离子交换富集硝 酸盐的采样方法逐渐被采用( 金赞芳等，2 0 0 6 ；吴登定等，2 0 0 6 ；杨琰等，2 0 0 4 ；肖 化云等，2 0 0 2 ；周爱国等，2 0 0 i ) 。 ， 3 1 2 水体中n o a 。向腿4 + 的转化方法 3 121 凯氏蒸馏法 凯氏蒸馏法最初由k j e l d a h l 用于土壤中的全氮分析，后经不断改进以用于不同 的研究，此方法国外研究应用较多，v e l i n s k y ( 1 9 8 9 ) 等针对海水中的氨氮对该方法 的评估结果为：标准样品的蒸馏回收率为1 0 3 5 ，所用矿石对氨的吸附率为9 6 4 1 6 ，2 0 0 9 9 标准n 的质谱仪测定结果误差小于4 ，测试精度为o 5 ； h o r r i g a n ( 1 9 9 0 ) 将该方法应用于美国c h e s a p e s k eb a y 中溶解无机氮的同位素组成的 研究；k o n - k e el i u ( 1 9 9 6 ) 等采用该方法研究了台湾北部的黑潮水域中的硝态氮的 同位素组成；吴晋平博士( 1 9 9 7 ) 在其博士论文中应用该方法分析了太平洋北部水 域的氮同位素情况。 1 8 水体硝态氮稳定同位紊分析方法研究 凯氏法的优点是可以用于各种形态氮的测定，比较成熟、稳定。 缺点主要有以下几个方面： ( 1 ) 装置主要由普通的硅酸盐玻璃仪器搭建而成，体积较大，且玻璃较脆易碎， 同时对于硝态氮样品，为尽可能的减少同位素分馏，一般需要低温保存，这些不利 条件限制了野外现场的应用。 ( 2 ) 存在交叉污染问题，玻璃比较容易吸附氨，因此在处理不同的样品的时候， 在清洗仪器方面要下大的功夫，如不同的样品之间多用m i l l i q 水空蒸几次( v a n d e n h e u v e l ，1 9 8 8 ) ，或同过蒸馏乙醇的方式消除污染( l i n d a u ，1 9 9 7 ) 等。 ( 3 ) 该方法比较耗时，一次只能处理一个样品，且处理大体积样品时需多次蒸 馏。 3 1 2 2 扩散法 扩散法较早用于n o 。一、n h 。+ 含量的测定，7 0 年代中晚期才用作61 5 n 分析， 但该方法历来争议很大，如b r o o k s ( 1 9 8 9 ) 等认为在室n ( 2 2 c ) 和静态条件下用酸 化纸作收集器扩散6d 就可扩散完全，但j e n s e n ( 1 9 9 1 ) 的实验表明该法并不令人 满意。因为即使扩散7d 也只能先扩散出9 0 的氨。l i u ( 1 9 9 2 ) 等的研究则表明， 即使氨氮的回收率达到了1 0 0 ，61 5 n 分析结果仍存在严重的误差和精度损失。 h o l m e s ( 1 9 9 8 ) 等针对氨态氮浓度低的水体，系统探讨了不同条件下，扩散过程对氮 同位素分馏的影响，如扩散溶液的体积与61 5 n 正相关，即扩散体积越大，分馏越 大，相关系数r 2 = o 9 9 ；在扩散体积相同时，扩散时间( d ) 和61 5 n 负相关，扩散时 间越长，分馏越小，相关系数d = 0 9 8 。他们的研究还认为在低浓度氨氮水体中， d o n 是导致分馏空白的最主要的因素，因此在氨氮浓度极低的水体中扩散方法不适 用。国内肖化云等( 2 0 0 0 ) 采用扩散法进行地下水中硝态氮的61 5 n 研究，认为扩散 温度是一个很重要的条件。 扩散法优点是装置简单，不受水体的限制，可以一次性室内处理大批水样；缺 点是对氨的吸收精密度不高，容易导致同位素分馏，耗时长，一个扩散周期需两周 甚至更长。 1 9 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 3 1 3 细菌反硝化法将n 0 3 - 转化为n 2 0 前文所述的基于物理化学处理的硝酸盐氮同位素分析方法存在诸多困难和局限 性： 地下水或其他天然水体中硝酸盐的浓度较低，应用n 2 同位素测试方法需要 得到几个微摩尔的硝态氮，而很多时候得到的水样量只有几个毫升，不能满足样品 分析量； 为了更有效地扩散和蒸馏分离出氨，要求水中硝酸盐的浓度至少需2 3 p m 或者更高； 随着样品的类型与样品量大小不同，前处理中试剂本底和相应的溶解有机氮 较大；而且方法都需要大量的前处理时间和人力。 细菌反硝化方法可以大大突破和改善以上局限，该方法是目前地下水中硝酸盐 氮同位素分析的唯一的将生物和化学相结合的方法( s i g m a ne ta 1 ，2 0 0 1 ) ，包括反 硝化菌的选取与培养、反硝化菌将硝酸盐完全转化成n 2 0 、n 2 0 气体的提取与纯化、 n 。o 气体氮同位素测定。与传统方法相比，细菌反硝化法可分析水中低浓度微量硝 酸盐氮同位素，且更为快捷可靠。 细菌反硝化方法测定的是天然含量下地下水中硝酸盐氮、氧同位素组成，应用 反硝化细菌将水中硝酸盐转化为n 2 0 气体，直接将n 2 0 气体送入气体质谱计测定氮 同位素组成。典型的细菌反硝化过程包括4 步：n 0 3 - ，n 0 2 一n o n 2 0 n 2 ( 从左至 右为细菌反硝化过程中的生成物) ，每一步都受一种独特基因编码的酶的控制。试验 采用的反硝化细菌没有n 2 0 活性酶，因而这种n 2 0 活性酶可以将n 2 0 转化为n z 。 因此，细菌反硝化方法的基本原理是：将天然浓度硝酸盐的水样中加入无n 2 0 活性 酶的反硝化细菌，在反硝化细菌作用下，将水中硝酸盐全部转化成n 2 0 气体，分离 纯化出n 2 0 气体直接送入气体质谱计中测试氮同位素组成。该方法的优点是：所需 水样量减小了1 0 0 倍；减小了低浓度硝酸盐水样因富集产生的相应的本底富集增大； 用于同位素分析的水样中硝酸盐的浓度可低于l m ；可以同时分析硝酸盐中氧同位 素组成。 该方法主要存在以下局限性： 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 剥离、纯化后的n 2 0 气体不允许含有c 0 2 ，因为n 2 0 与c 0 2 分子量相同， 质谱测定时不能分辨出两种分子，往往导致n 2 0 的氮同位素测定值偏低。因此，提 纯n 2 0 气体过程必须完全去除c 0 2 。 实验所需的反硝化细菌需专门培养，培养条件要求较高，整个反硝化过程 及n 2 0 的收集、储存对实验仪器和实验技能的要求较高( 图l _ 4 ) ，因此国内目前还 没有人采用该方法开展水体中硝态氮同位素研究。 i o m l j m i n 2 0 m 1 2 m i n 图1 - - 4 n 2 0 剥离系统 1 - 4m a n u a ln 2 0 e x t r a c t i o ns y s t e m 3 2氮稳定同位素测试方法 测定n o 。- - n 同位素的方法有很多，如发射光谱法、有机质谱法、热电离质谱 法和气体质谱法。由于测试精度的原因，目前大都采用气体质谱法测定n o s - 中氮同 位素组成，这就首先要求把n 0 3 - 转化成n 2 。 3 2 1 r i t t e n b e r g 法 3 0 年代由r i t t e n b e r g 及其合作者发明了r i t t e n b e r g 法，并用于医学研究。用 r i t t e n b e r g 法时要求先将样品中各种形态的n 转化为m 0 - n ，可以通过k j e l d a h l 法 或扩散法来完成a 扩散法因其简易、节省劳力、且可明显减小交叉污染误差而经常 与r i t t e n b e r g 法连用。如果扩散时使用酸化玻璃纤维盘吸附n h 4 + ，并且用h f 对其 进行处理，效果将更加理想( l i ue ta 1 ，1 9 9 2 ) 。 现在使用r i t t e n b e r g 法转化n h 4 + 为n 2 时，多采用有自动装置的a r a 法 2 1 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 ( a u t o m a t e dr i t t e n b e r ga n a l y s i s ) ( b r o o k se ta 1 ，19 8 9 ；l i ue ta 1 ，19 9 2 ) 。a r a 法使用一个 含众多样井的进样盘进样( e g s e g a a r d ，1 9 8 9 ) 。在用次溴酸盐氧化n h , + 时一般需用 氟里昂( c h c l f 2 ) 纯化样井中的空气。一个样井中约可转移进o 5m 1 的待测铵盐溶 液。由于铵盐的富集多用硼酸吸附，而硼酸溶解度较小，转移溶解得到的体积较大( 约 1 3m l ) ，因而只能转移1 3 1 1 0 等份的样品( 约2 0 - 一1 5 0 p g ) 进入样井，这就要求样 品含氮量大于2 0 0g g 。因此a r a 法不适合于处理小样及含氮量低的样品( 如天然水 样) 。转移进入样井后，在5 0 6 0 下干燥，密封后可安全保存运输。当a r a 法 与用玻璃纤维盘吸附n h 4 + 的扩散法连用时，使用h f 溶液溶解玻璃纤维物质可以消 除其吸附的部分空气，而且l i ue ta 1 ( 1 9 9 2 ) 发现在用a r a 法时产生的n 2 ，要比 不用h f 溶液时高出至少5 8 。 3 2 2 燃烧法 除r i t t e n b e r g 法外，燃烧法也可以转化n i - 1 4 + 为n 2 。最常见的燃烧法是d u m a s 燃烧法，在此基础上又发展了a n a ( a u t o m a t e dn i t r o g e na n a l y s e r ) 法、中温催化燃烧 法等( r e v e s ze ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 3 2 2 1d u m a s 燃烧法 d u m a s 燃烧法的基本原理是真空状态下将样品与c u o 一起加热转化n 为n 2 和 氮的氧化物( 主要是n 2 0 ) ，然后用热c u 还原氮的氧化物为n 2 。过去常常在中温下 ( 5 5 0 6 5 0 c ) 燃烧样品，结果有较多的氧化氮( 如n o , - ) 不能完全转化为n 2 。当燃烧温 度提高到8 5 0 。c ( 2h ) 时，可以较完全地转化为n ：。也有人采用中温及延长燃烧时间 的方法( 罗耀华等，1 9 9 2 ) 。样品燃烧后低温分离n 2 、地o 和c 0 2 ，也可以通过各种 炉循环纯化n 2 。纯化后的n ：直接上质谱分析。这种方法可以用来分析含氮量低的 样品( 含氮2 8 - - - - 8 4p g ) ，但其真空系统复杂，且使用的质谱必须有可调的毛细管进 样系统。以上方法均需要对燃烧后的气体进行纯化和浓缩，费时费力。k e n d a l l ( 1 9 9 0 ) 采用的c a o 管封燃烧技术大大地简化了对燃烧后的气体进行纯化和浓缩的过程。他 将c a o 加入燃烧管中与样品、c u o 及铜粒一起燃烧，由于c a o 可以吸收燃烧产生 的h 2 0 、c o ：、h c i 和其他产物，因而可以不再进行纯化而直接上质谱分析。该技 术要比传统的低温纯化方法测得的61 5 n 值更加精确。 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 d u m a s 燃烧法在没有附加设备的情况下一般不能同时测定样品中的含氮量，而 且测定的是样品总氮的61 5 n 值。因此，要测定某一形态氮的61 5 n 值，应事先进行 分离。 3 2 2 2 n a 法 a n a 法( a u t o m a t e dn i t r o g e na n a l y s e r ) 可同时分析氮和碳同位素，因此也有人 称作a n c a 法( 图1 5 ) 。待测样品放于小锡囊中由自动进样器进样，一般可同时 迸样2 0 0 个。在元素分析仪中，样品在含c r 2 0 。和镀银c o 。o 。的石英燃烧管内与纯氧 脉冲燃烧转化为n 2 ，有效燃烧温度为1 7 0 0 。燃烧后的产物自动转移至另一石英管 ( 还原管) 中。在该管中，6 5 0 下的c u 还原氮的氧化物为n ：，并除去过剩的o 。 还原后的气体用m g ( c 1 0 。) ：( 干燥管中) 去水，气相色谱( g c ) 分离n 2 和c o ：。纯化 后的c 0 2 由热导检测仪( t c d ) 分析氮含量，然后上质谱分析61 5 n 值。整个过程用 纯氦气作载气，流速为8 0m l m i n 。a n a 法除可测定61 5 n 外，还可测定样品中的 总氮。a n a 法非常适合于与扩散法联用，如b u r k e 等( 1 9 9 0 ) 在扩散过程中采用 盛酸化氟石的锡燃烧囊直接作小 3 收集器使该方法显得更为简便。 自动谴杯譬 图1 _ 5a n a 法系统结构图 r i g 1 - 5s t r u c t u r eo fe l e m e n t a la n a l y s e rf o ra n a 3 2 2 3 中温催化燃烧法 虽然a n a 法操作简单、快捷，但需要有元素分析仪。而普通d u m a s 燃烧法由 于在高温下燃烧样品，通常需使用石英管作燃烧管，成本高，且焊封石英管使用氢 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 氧焰需专门的操作熟练的技术人员，因而降低燃烧温度对普通的实验室十分重要。 使用催化剂可以明显地降低反应温度，安全性高，一般很少产生有害副产物( 如 n o x ) ，低氧条件下也能完全氧化，且不受水蒸气的影响。虽然普通d u m a s 燃烧法 也使用了银箔作催化剂，但效果并不明显。r e v e s z ( 1 9 9 7 ) 试图用p d 、a u 作催化 剂，用石墨还原k n o 。，因为p d 和a u 可以促进n 2 0 的分解和c o 的氧化。他还通 过对化学反应式的热力学计算和动力学考虑，选取5 2 0 作燃烧温度，目的是尽量 使反应物k n o 。和反应中生成的k c n 、k o c n 等固态物质分解，减少有害的c o 、 n 2 0 、n o 、n o ：等气体的生成。但实际上用这种方法生成的n 2 并不能直接上质谱 作61 5 n 分析，因为仍存在少量难以去除但会严重干扰n 2 质谱分析的c o 气体，精 确分析时还需要用普通d u m a s 燃烧法作进一步的处理。理想的中温催化燃烧法仍有 i 待作进一步的研究。 3 2 2 4 能够同时分析1 5 n 和1 8 0 的燃烧法 在实际研究中，有可能还需要同时分析其他同位素，如人们在研究地下水n o 。一 的来源时，发现由于在硝化和反硝化过程中存在明显的氮同位素分馏，单凭n o 。一 的61 5 n 值无法进行示踪，但如能结合其埔o 值则有良好的效果。因而既需要分析 n 0 3 - 的61 5 n 值，又需要分析其6 培o 值。在这种情况下用传统的只分析1 5 n 的分析 方法显然不行，因而又发展了一些可兼作1 5 n 和1 8 0 分析的方法，一般是将水溶液 中的n 0 3 - 转化为k n o 。或a g n o 。的形式进行燃烧。转化过程中通常需对样品用木 炭过滤，除去含氧有机物质，阳离子交换树脂除去 r 外的其他阳离子，b a c l 。沉淀 法除去样品中s 0 4 2 - 和p 0 4 3 - 等含氧酸根离子，再用k o h 中和，转化为a g n o 。的形 式还需用a g o 处理，最后低温干燥。常见的该方法燃烧方式有以下几种： 5 5 0 ( 2 下k n o 。和h g ( c n ) z 真空燃烧6h ，对生成的c o 。，分析其1 8 0 值( d u r k a w ，e ta 1 ，1 9 9 4 ) 。该方法不能使k n o 。中的氧全部转化为c o ：且不能用来分析氮同 位素。 1 4 0 0 ( 2 下k n 0 3 和石墨真空燃烧生成n z 、c 0 2 ( r e v e s ze ta 1 ，1 9 9 7 ) 。该 方法不能使k n o 。中的氧全部转化为c 0 2 ，氮同位素的分析精度不如上述传统的分 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 析方法精度高。 5 2 0 1 2 下k n 0 3 和石墨真空催化燃烧2 4 h ( r e v e s ze ta 1 ，1 9 9 7 ) 。由于对 反应式的热力学性质和动力学过程进行了充分的考虑，反应产物中c o 。所占比例及 c o ：和k 2 c 0 3 间的氧同位素分馏系数基本不变，因而虽然有部分的o 存在于k 2 c 0 3 中，但可以通过一定的公式计算出k n 0 3 的6 坩o 值，其标准偏差o 2 。但氮同 位素的精确分析仍然需要另外进行。 9 0 0 * ( 2 下a g n 0 3 和石墨真空燃烧生成n 2 、c 0 2 ( w a s s e n a a r ，1 9 9 5 ) 。该方 法也不能使k n 0 3 中的氧全部转化为c 0 2 。且氮同位素的分析精度同样不如上述传 统的分析方法精度高。 目前关于该燃烧法的最新研究成果是( s i l v a ，2 0 0 0 ) 提出的应用于淡水的 将阴离子交换法富集硝酸盐取样技术与密封石英管燃烧a g n 0 3 相结合的技术。其主 要过程为：阴离子交换树脂处理水样后，用h c l 洗脱被树脂吸附的n 0 3 一，并用a g o 中和含n 0 3 一的洗脱液，经滤去a g c l 沉淀和冷冻干燥得到无水a g n 0 3 ，其中一部 分a g n 0 3 用来测61 5 n ，另一部分用来测6 坩o 。将用来测61 5 n 的无水硝酸银重新 溶解在去离子水中，移至石英管并冷冻干燥，之后加入c a o 、c u o 丝及细铜颗粒， 经8 5 0 燃烧得到n 2 。 4 水体中硝态氨同位素技术的发展方向 ( 1 ) 污染( 主要是交叉污染) 仍然是水样硝态氮稳定同位素分析处理中的主要问 题，需要进一步加以控制。 ( 2 ) 小样或硝态氮含量低的水体的准确处理。现在大多数处理方法处理小样或 氮含量低的水样误差大，这一类样品需要发展更精确的分析处理方法。 ( 3 ) 更为方便快捷的野外预处理方法的建立。由于氮的化合物通常不稳定，当 分析水体中的氮同位素组成时，一般要求水样应在2 4 小时内进行预处理。虽然有人 建议使用低温的方法保存样品，但实际上野外特别是运输途中低温条件难以获得， 因此有必要事先在野外进行预处理。而以往的预处理方法一般只适于室内进行，对 2 5 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 野外方便携带的离子交换法也存在交换速率缓慢的缺点，耗费大量的取样时间。建 立一个适宜于野外样品处理且快速、方便携带的预处理方法亟待解决。 ( 4 ) 多种同位素法( m u l t i - i s o t o p ea p p r o a c h ) ：利用多种同位素法示踪氮的来源 和循环过程，可以与仅用n 同位素法达到互为补充的作用。事实上，地下水反硝化 作用进行过程中，经常伴随着有机碳d o c ( 或硫化物) 的氧化，分析有机物和无机物 中c 、o 、s 、b 等同位素组成可为判别反硝化作用的发生与否以及进行的程度提供 依据。 5 本论文的研究目标及主要内容 5 1 本论文的研究目标 综合评估阴离子交换取样方法，为其在实际中特别是针对硝态氮浓度较低的地 表水的研究奠定基础。 综合评估可应用于水体中硝态氮分析的经过改进的凯氏蒸馏方法。 探寻在阴离子交换过程和凯氏蒸馏过程中影响氮同位素分馏的主要因素，最终 建立起完善、可靠的应用于水体中硝态氮稳定同位素分析的方法。 5 2 本论文的研究内容 研究采用阴离子交换方法富集地表水水体中的硝酸盐，其中包括吸附条件实验、 洗脱条件实验、杂质离子对吸附和洗脱的干扰等内容，在满足吸附率和洗脱率两个 主要指标的前提下对各个条件进行优化； 研究采用改进的凯氏蒸馏法对水体中的硝态氮向氨态氮的转化及回收，主要包 括空白的处理、达氏合金对空白的影响、达式合金的还原效能、蒸馏过程中氮素的 回收率等内容； 研究富集过程及蒸馏过程中影响氮素分馏的主要因素，如吸附率、洗脱率、蒸 馏回收率等。 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 第二章阴离子交换方法富集地表水中硝态氮 硝态氮是水体氮库中最主要的存在形式，在氮的形态转化过程中起关键作用。 由于氮同位素分馏可引起自然界含氮物质61 5 n 值产生显著差异( 王东生，1 9 9 7 ) ， 因此水体中n 0 3 - 一1 5 n 稳定同位素是示踪研究氮源的主要标记，可用于水体富营养 化机理研究。 水体中n 0 3 1 5 n 稳定同位素的测定一般可分为以下几步：( 1 ) n 0 3 - 的富集；( 2 ) n 0 3 一向n h 4 + 卟i h 3 的转化；( 3 ) 同位素质谱分析。其中n 0 3 - 的富集方法主要有两 种：蒸馏浓缩富集( 杨素更，1 9 9 6 ) 和阴离子交换方法富集，蒸馏浓缩富集方法理论 上可适用于一切水体，但对大体积样品来说存在着运送不便和蒸馏耗时长等缺点； 阴离子交换方法只适用于淡水水样，但有其明显的优势，如便于野外携带，大大减 少了从野外向实验室运送水样的体积，无需在水样中添加防腐剂，保证了n 0 3 一的稳 定性，同时在阴离子交换过程中，地表水中相对地下水而言含量较高的n h 4 + 不被树 脂吸附从而实现了氨态氮和硝态氮的分离，在硝态氮稳定同位素后续处理中省掉了 除氨的步骤。阴离子交换法富集硝酸盐又可分为树脂的预处理、树脂对水样中n 0 3 一 的吸附及对已吸附n 0 3 - 的洗脱三个步骤。其中树脂预处理是进行吸附的前提，而吸 附率和洗脱率是衡量n 0 3 - 富集成败的关键指标，若吸附或洗脱不充分都可引起氮同 位素的分馏，使测得的61 5 n 值偏小，因此确保充分的吸附率和洗脱率是进行氮稳定 同位素分析的基础。 目前国内外学者将阴离子交换方法多用于地下水中硝态氮稳定同位素的研究， 但对该方法本身及其在地表水中的应用的研究则比较粗略，而且同类研究中实际应 用该方法时在实验条件和技术细节上并不统一，如不同的研究人员采用不同的树脂 但实验条件相同或采用相同的树脂但实验条件不同( s i l v ae ta l ，2 0 0 0 ；肖化云，2 0 0 2 ； 周爱国等，2 0 0 3 ；吴登定等，2 0 0 6 ；杨琰等，2 0 0 5 ) 因此作者认为针对地表水并结 合上述存在的问题有必要对该方法作一番比较深入的探讨，从中找出适合硝态氮稳 定同位素预处理的最为优化的实验条件。本章主要研究阴离子交换法富集水体中硝 态氮的方法。 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 1离子交换方法的基本原理 离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。在溶液中它能将本身的 离子与溶液中的同号离子进行交换。按交换基团性质的不同，离子交换树脂可分为 阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。 阴离子交换树脂含有季胺基 - n ( c h 3 ) 3 0 h 、胺基( ：n 】最) 或亚胺基( 一 m ) 等碱性基团。它们在水中能生成o h - 离子，可与各种阴离子起交换作用，其 交换原理为 r n ( c h 。) 3 0 h + c i 一争苗r n ( c h 3 ) 3 c 1 + o h 。 离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有选择性。 各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律，但不同的树脂可能略有差 异。主要规律如下： ( 1 ) 对阳离子的吸附 高价离子通常被优先吸附，而低价离子的吸附较弱：在同价的同类离子中，直 径较大的离子的被吸附较强。一些阳离子被吸附的顺序如下： f e 3 + a 1 3 + p b 2 + c a 2 + m 9 2 + k + n a * r ( 2 )对阴离子的吸附 。 强碱性阴离子树脂对无机酸根的吸附的一般顺序为： s 0 4 z 一 n 0 3 一 c l 一 h c 0 3 一 o h 一 弱碱性阴离子树脂对阴离子的吸附的一般顺序如下： o h 一 柠檬酸根 s 0 4 2 一 酒石酸根 草酸根 p 0 4 3 - n 0 3 一 c l 一 醋酸根 h c 0 3 通常，交联度高的树脂对离子的选择性较强，大孔结构树脂的选择性小于凝胶 型树脂。这种选择性在稀溶液中较大，在浓溶液中较小。 2 实验材料及方法 2 1 主要实验材料 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 根据本文所研究内容，所选用的树脂为进口d o w 化学公司生产的 d o w e x i x 8 - 2 0 0 树脂和国产7 1 7 树脂，二者均为c l - 型强碱性阴离子交换树脂，其 余主要实验材料及仪器如下： 1 2 1 5e m 普通硅酸盐玻璃交换柱，配以3 号砂芯；2 5 0m l 分液漏斗； m i l i p o r e - q 超纯水；k n 0 3 、k c ! 、h c i 、n a o h 均为优级纯；t 6 新世纪紫外可见分 光光度计( 北京普析通用仪器有限责任公司) 2 2 树脂柱预处理 新购入的树脂由于含有一些机械杂质和可溶性物质，需要进行前处理以除去。 主要处理过程如下： 树脂的清洗。目的是使树脂润湿充分溶胀并洗去部分残屑，方法是将新树脂 置于一个小烧杯中，再加入l o 倍体积的双蒸水，待树脂沉淀到杯底，将上层清水倒 掉。重复三次。 树脂的反洗。目的是进一步除去树脂中的机械杂质和气泡，同时可将树脂颗 粒分级排列( 根据树脂的颗粒度大小，允许使它们形成层，最小的颗粒在柱子的最 上端) ，并且除去新树脂床中的细小颗粒。 方法是将树脂装柱后，在交换柱的底部，接一根胶皮管，胶皮管另一端接一个 分液漏斗，将m i l i p o r e - q 水加入到分液漏斗中，慢慢抬高分液漏斗，使之高于玻璃 管柱中的液面，利用连通器原理，将管中的树脂反复的推高又慢慢沉降，始终保持 管中的液面高出树脂面1 c m ，在此过程中，树脂残屑，杂质等渐渐泛到树脂柱上方， 然后用一个塑料吸管将残屑、杂质吸去，注意不能使树脂暴露在空气中。 树脂的酸碱洗。目的是除去树脂中的可溶性物质。 方法如下：依次用2 0m l2m o l l 盐酸溶液，若干毫升m i l i p o r e - q 超纯水，2 0m l n a o h ，若干毫升m i l i p o r e q 超纯水，自上而下通过树脂层，试剂流速为1 5 - 一2 m l m i n ，水的流速为5 1 0m l m i n ，始终保持管中的液面高出树脂面1e m 。每次水 洗至p h 试纸检验至流出液呈中性为止。 树脂转型。转型的目的是保证树脂的吸附位被某阴离子占据以用来与水样中 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 的离子进行交换。 树脂的转型是树脂预处理的最后一个步骤，若采用强酸碱溶液转型，则转型完 成后需用m i l i p o r e q 超纯水继续洗至流出液呈中性止。在阴离子交换方法富集硝酸 盐的研究中，不同的研究过程所采用的转型试剂也不一样，如肖化云等采用n a o h 溶液为d o w e x l x8 树脂的转型试剂( 肖化云等，2 0 0 2 ) ，s i l v e r 等采用c a c l 2 溶液 对a g l x8 树脂进行转型( s i l v e re ta 1 ，2 0 0 0 ) 。 2 3 实验装置图 装置示意图2 一l 所示。 抽真空 1 l 抽滤瓶 湃斗 图2 - 1 阴离子交换树脂吸附硝酸盐装置 f i g 2 - 1a p p a r a t u su s e dt or e t a i nn i t r a t ef r o mw a t e rs a m p l e so na n i o ne x c h a n g er e s i n s 其中玻璃交换柱的填装方法如下： 首先用去离子水将树脂浸湿以保证柱子内的树脂始终是湿润的。 在空柱中注入约l e n a 高的去离子水。 将树脂慢慢加入到玻璃管中，多余的水将从柱子底部排出，但始终保持液面 高出树脂面约l c m 。 将阴离子交换柱通过橡皮塞分别与分液漏斗和锥形瓶相连从而调节过柱时的流 ：速。 2 4阴离子交换方法富集硝酸盐实验设计 水体硝态氮稳定同位素分析方法研究 基于氮稳定同位素分析的野外采样，一般要求树脂吸附n 0 3 - 的量至少达到 1 0 0 - 2 0 0i x r n o l ( s i l v e re ta 1 ，2 0 0 0 ：肖化云等，2 0 0 2 ：周爱国等，2 0 0 3 ：吴登定等，2 0 0 6 ) 。 ll 地表水中含有的n 0 3 - 的量一般为几十个微摩尔，为方便研究起见，本实验中配 制n 0 3 - 浓度为1 0 0g m o l l 的标准溶液。具体实验步骤如下：在交换柱中填装经充 分溶胀后的一定体积的树脂，经淋洗处理后，通过图2 1 所示装置吸附1l ，使n 0 3 一 吸附量达到野外采样最低要求，吸附过程中保持交换柱竖直，通过分液漏斗的活塞 或与锥形瓶相接的机械泵调节流速。将吸附后流出液收集起来，采用紫