海水中溶解态硝酸盐的氮同位素分析的预处理方法

上一篇 / 下一篇 2012-01-17 14:50:38

利用海水中溶解态硝酸盐的氮同位素分析技术，可以探讨海洋中氮营养盐的生物地球化学过程，分析氮化合物的主要来源，对于近海富营养化研究具有重要意义。但是，目前国内关于溶解态硝酸盐氮同位素（δ15NNO－3）的分析方法主要是针对淡水体系，有关海水体系的报道较少。这主要由于海水中溶解态硝酸盐的氮同位素分析在预处理方法上存在一定的困难和局限性：海水作为一个高盐度体系，干扰离子较多，不能采用淡水δ15NNO－3分析预处理中常用的离子交换柱法；此外，海水中硝酸盐浓度很低，在预处理过程中需进行多步浓缩富集，过程复杂，干扰因素较多，容易带来误差，不易于野外操作。因此，在建立海水体系中溶解态硝酸盐氮同位素的分析技术与方法时，样品的预处理方法是关键。
　　海水中δ15NNO－3分析预处理方法早已有报道[1,2]，但一直不理想。因此在近几年仍有新的方法或改进方法的报道[3～9]。其中，扩散法和蒸馏法是较为成熟、应用最广泛的方法。扩散法对环境的要求较高，不便于野外操作，且在处理低含氮量水样时容易引起严重误差，使用前应进行充分评估[10]；蒸馏法的效率比较高，预处理时间短，在适当条件下可以用于野外进行，但需要专门的设备以及熟练的操作人员。
　　本研究针对上述预处理方法所存在的问题，结合国外最新研究成果和传统方法的优点，以蒸馏法为基础，研究了适合海水中溶解态硝酸盐稳定氮同位素分析的预处理方法，建立了一套专门的实验设备，提出了最佳预处理条件，并针对海水样品的特殊性，对盐度影响和大体积水样的预处理方式进行了讨论。为进一步验证本方法的准确性，对长江口海域溶解态硝酸盐样品的氮同位素组成进行了分析与验证。
2 实验部分
　　2.1 仪器与试剂
　　T6新世纪紫外分光光度计EURO EA3000元素分析仪 IsoPrime同位素比值质谱仪联机（GV instruments）；Millipore Q超纯水设备（美国）。
　　达氏合金（Cu 50, Al 45, Zn 5;分析纯，)：将其研成粒径约0.05 mm，并在450 ℃烘4 h，置于干燥器中密封备用；沸石（DINSIV W85, UOP Molecular Sieves, Des Plaines IL, USA），200 ℃烘2 h，置于干燥器中密封备用；氨基磺酸(20%，优级纯)；HCl和NaOH（优级纯）；KNO3（优级纯）。
　　Fig.1 Apparatus of distillation and adsorption
　　1. 蒸馏烧瓶(distillation flask)；2. 升降台(lifting stage)；3. 玻璃管(glass tube)。蒸馏过程中，通过滴瓶不断向蒸汽发生器加水，以保证三口烧瓶液面始终保持平衡；冷凝管的末端必须伸入液面以下，避免有气体损失。(water need to be added into steam generator constantly to keep water level balance in the 3neck flask while distillating. The condenser was fused into a single unit to eliminate atmospheric condensation and contamination)。
　　2.2 实验方法
　　将300 mL水样置于1.0 L蒸馏烧瓶中，先向水样中加入氨基磺酸溶液和浓HCl，以除去水样中含有的亚硝酸盐。约10 min后加入5 mL 40% NaOH (m/V)溶液，这时水样的pH值>10。打开水蒸汽发生器，开始蒸馏，20 min后馏出液摒弃。水样中再加入0.5 g达氏合金，继续蒸馏；馏出液迅速用装有50 mg沸石及15 mL 0.003 mol/L HCl的接收瓶吸收，并加入磁转子缓慢搅拌，蒸馏30 min。蒸馏结束后，将接收瓶移出，加盖，继续搅拌馏出液1 h，以确保沸石对铵完全吸附。搅拌结束后，将吸附了铵的沸石泥浆通过25 mm的GF/F玻璃纤维膜过滤；然后将膜在50 ℃氮气保护下烘至少12 h；膜烘干后，将上面吸附了铵的沸石轻轻刮下，送入元素分析仪同位素比值质谱仪联机，测氮同位素组成。
　　2.3 现场样品分析
　　为验证预处理方法的准确性，本研究在2006年2月（冬季）和2006年5月（春季）分别对长江口海域（北纬30°１８′～32°６′，东经121°～123°３０′）进行了现场调查，调查区域包括长江河道、最大浑浊带以及外海。在区域内取表层海水样，用0.45 μm混合纤维滤膜及时抽滤，滤液加氯仿冷冻保存带回实验室，后处理及同位素测定过程同上。3 结果与讨论
　　3.1 最佳蒸馏条件的选择
　　3.1.1 最佳蒸馏时间的确定配制300 mL 50 μmol/L KNO3，加入5 mL 10 mol/L NaOH、0.5 g达氏合金，以15 mL 0.003 mol/L HCl为吸收液，分别蒸馏5、10、20、25、30、40和50 min。蒸馏完毕后用分光光度法测定馏出液的铵氮含量，计算回收率。结果表明，当蒸馏时间超过25 min以后，氮回收率基本平衡，均大于100%（图2）。综合比较，选择30 min为最佳蒸馏时间。为进一步验证最佳蒸馏时间的选择，固定蒸馏时间为30 min，其它条件如上，重复实验，在此条件下的氮回收率较高（（104.9±4.2）％, n= 6）。
　　Fig.2 Recovery of nitratenitrogen with different distillation time
　　3.1.2 最佳达氏合金用量的确定在300 mL 50 μmol/L KNO3中，加入5 mL 10 mol/L NaOH，以15 mL 0.003 mol/L HCl为吸收液，加入不同量达氏合金，蒸馏30 min，然后测定氮回收率。结果如图3所示，氮回收率随着达氏合金用量的增加先明显升高后达到平衡。达氏合金用量＞0.4 g时，氮回收率均＞93%。但是，达氏合金用量的增加会导致蒸馏空白的升高，所以达氏合金最佳用量选择0.5 g。此时氮回收率可达到（103.4±4.8）% (n=3)。
　　Fig.3 Recovery percentage of nitratenitrogen via steam distillation with different amount of Devarda′s alloy
　　3.2 KNO3浓度对氮回收率的影响
　　根据河口海域海水中硝酸盐的浓度分布范围，分别配制不同浓度的KNO3溶液，加入5 mL 10 mol/L NaOH、 0.5 g达氏合金，以15 mL 0.003 mol/L HCl为吸收液，蒸馏30 min，计算氮回收率。结果表明，KNO3溶液浓度在5～200 μmol/L范围内，氮回收率都较高，为93.0%～118.6%；相对标准偏差均小于10.5%。
　　3.3 除铵实验
　　海水中存在一定量的铵盐，蒸馏时会给硝酸盐的回收带来误差，产生氮分馏影响。因此，必须先将海水中的铵除尽。配制不同浓度的(NH4)2SO4溶液，分别加入5 mL 10 mol/L NaOH，以15 mL 0.003 mol/L HCl为吸收液，蒸馏20 min，收集馏出液，采用分光光度法测铵态氮（NH4N）的浓度，并与蒸馏前加入的NH+4N含量比较，计算NH+4N排除率。结果表明，蒸馏20 min，NH+4N平均排除率为92.1%～110.7%；相对标准偏差小于6.6%，足以将样品中NH+4N除尽。
　　3.4 盐度影响
　　为进一步模拟海水条件，配制盐度分别为3.5%、2.0%、1.0%、0.5%和0%含50 μmol/L KNO3溶液的人工海水进行蒸馏，馏出液经处理后测氮同位素值。每个盐度平行3个。同时测量配溶液所用的标准样品KNO3（优级纯）固体的δ15N值，人工海水与标准样品的δ15N差值即为分馏系数，用以做样品同位素分馏程度的参考，结果如表1。当盐度为0%时，氮同位素分馏系数平均为－1.46‰；当盐度增加到0.5%时，氮同位素分馏程度迅速减小，同位素分馏系数平均为－0.18‰；盐度再增大（1.0%～3.5%）同位素变化不显著，同位素分馏系数分别为－0.42‰（1.0%盐度）、－0.21‰（2.0%盐度）、－0.27‰（3.5%盐度），氮同位素分馏程度均较小。这可能与离子强度效应有关，当溶液中离子强度较大时，氮同位素分馏程度较小，但其具体影响机理有待进一步研究。研究结果表明，盐度对δ15NNO－3的影响非常敏感，当盐度为0时，硝酸盐氮同位素分馏程度较明显，因此不适用于纯淡水环境；但在有盐度存在的条件下，硝酸盐氮同位素分馏较小，可以用于样品分析。
　　3.5 沸石对铵氮吸附能力的测定
　　将50 mg沸石加入(NH4)2SO4溶液中，搅拌90 min；然后用GF/F膜过滤，膜处理后测量同位素，并测量滤液中剩余的铵氮含量。同时测量标准样品(NH4)2SO4（优级纯）固体的δ15N，用作样品同位素分馏程度的参考。结果显示，沸石对铵氮的平均吸附率约为（95.96 ± 1.08)%（n= 6），δ15N为(－4.67 ± 0.61)‰（n= 6），接近(NH4)2SO4标准品的同位素值（－4.42±0.1）‰（n=3）。
　　Table 1 Nitrogen isotopic fractionation via distilling manual seawater with different salinity
　　3.6 大体积水样预处理方法的改进
　　当海水中硝酸盐含量过低时，为获得足够的氮（同位素测量时要求样品氮含量不少于20 μg），需(NH4)2SO4（优级纯）直接燃烧测得的同位素值(isotopic values by ammonium sulfate (GR)direct combustion method): (－4.42±0.1)‰（n=3）。要进行多次蒸馏。而大体积的馏出液就给收集带来困难，因此本实验在预处理时改进了馏出液的收集方式，先将沸石和稀盐酸通过GF/F膜过滤，然后将多次蒸馏得到的馏出液用稀HCl吸收后也通过这个GF/F膜，过滤，烘干，测其同位素值。为验证本方法的可行性，分别配制1.0 L 5 μmol/L (NH4)2SO4溶液，在不同时间内通过用沸石和稀HCl滤过的GF/F膜，将膜烘干，测同位素值。结果如表3 所示，在15、25和95 min内分别过滤1.0 L 5 μmol/L(NH4)2SO4溶液，沸石吸附效率及氮同位素值的大小变化均不大，沸石对铵氮的平均吸附率约为（97.98±1.07)%（n= 3），δ15N为（－4.42±0.18）‰（n= 3），接近(NH4)2SO4标准品的同位素值（－4.42±0.1)‰（n=3），分馏作用不明显。因此，在处理大体积水(NH4)2SO4（优级纯）直接燃烧测得的同位素值(isotopic values by ammonium sulfate(GR)direct combustion): (－4.42±0.1)‰（n=3）。样时，多次蒸馏，馏出液通过GF/F膜的时间选择15 min。
　　Table 3 Adsorption rate of ammonium onto zeolite and nitrogen isotopic composition of large volume ammonium filtration at different times
　　3.7 现场样品分析
　　根据建立的氮同位素分析预处理方法，对长江口海域水体中溶解态硝酸盐的氮同位素特征进行了分析与研究，并与其它水域相比较，结果如表4所示。本实验测得长江口海域水体中溶解态硝酸盐的δ15N值分布范围与其它河口类似；且季节变化明显，冬季长江口海域表层水体中溶解态硝酸盐的δ15N值明显低于春季，这与Ostrom 等的研究结果[14]相一致。以上测定结果表明，硝酸盐氮稳定同位素分析的预处理方法可以用于河口海域的实际问题分析，能提供有效信息用以硝酸盐的来源分析以及氮循环机理研究等。