吳娜娜, 錢 虹, 李亞峰, 王宇思

(1. 沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168; 2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司, 遼寧 沈陽 110179)

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多種同位素追蹤水體硝酸鹽污染來源

吳娜娜1, 錢 虹1, 李亞峰1, 王宇思2

(1. 沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168; 2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司, 遼寧 沈陽 110179)

概括了同位素示蹤技術(shù)的原理并總結(jié)了硝酸鹽中的δ15N和δ18O的典型值域范圍,闡述了多種同位素聯(lián)合識別水體中硝酸鹽污染來源的方法,并對該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向進(jìn)行了討論與展望.

水體; 硝酸鹽污染; 氮同位素; 氧同位素

水體硝酸鹽污染成為越來越受關(guān)注的環(huán)境問題之一.近年來,污染物的排放越來越多,使得水體中硝酸鹽的濃度不斷增加[1].高濃度的硝酸鹽進(jìn)入人體后,被還原為亞硝酸鹽,與人體血液作用,使人缺氧中毒[2].過量氮素進(jìn)入水體后,會(huì)引起水體的富營養(yǎng)化[3](赤潮、水華等).水體自身的凈化能力只能去除部分硝酸鹽,而大量的硝酸鹽污染物仍存在于被污染水體中[4].因此,識別水體中硝酸鹽污染的來源并有效治理被污染的水體對人類健康和環(huán)境安全有至關(guān)重要的作用.水體中硝酸鹽的來源及其轉(zhuǎn)化存在多樣性,僅用常規(guī)分析方法通常無法識別不同來源的氮污染.穩(wěn)定同位素技術(shù)的建立為彌補(bǔ)上述不足提供了可能性.

1 同位素示蹤的原理

同位素是指具有相同質(zhì)子數(shù),不同中子數(shù)的原子.自然界中許多元素都有同位素,每種同位素在這種元素的所有天然同位素中所占的比例用豐度表示[5].下面以氮元素為例,氮元素存在2種穩(wěn)定同位素,分別是14N和15N.在空氣中,14N的相對豐度為99.633%,而15N的相對豐度僅占0.366%.在大氣中,即使不同的地域高度,15N/14N(豐度比)是一個(gè)常數(shù)為1/272[6].因此,檢測不同含氮物質(zhì)氮同位素組成時(shí),可將大氣氮標(biāo)準(zhǔn)作為參考值[7].

含氮(氧)物質(zhì)的同位素比值相對大小的符號用δ樣品(‰,air)表示,其定義為:

式中:δ樣品和δ標(biāo)準(zhǔn)分別表示樣品中和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中15N/14N或18O/16O的比值.

不同的含氮物質(zhì)的δ15N 值存在差異,同位素示蹤技術(shù)就是利用不同的δ15N值來識別硝酸鹽污染的來源.然而,同位素會(huì)以不同比例在不同的物質(zhì)間分配,即同位素的分餾作用[8].影響同位素的分餾的因素很多,包括酸堿度、pH值、溫度、檢測條件、中間產(chǎn)物等[9-10].

2 水體中不同來源硝酸鹽氮氧同位素值域

2.1 水體中不同來源硝酸鹽氮同位素值域

隨著對同位素識別硝酸鹽污染的研究不斷深入,不同硝酸鹽污染源的氮同位素值域范圍發(fā)生了一定的改變,在此前研究的基礎(chǔ)上重新總結(jié)了不同污染源硝酸鹽氮同位素的值域范圍(見表1).

表1 不同污染源硝酸鹽氮同位素的值域范圍

由表1可以看出,不同污染來源的硝酸鹽的氮同位素δ15N的值域存在重疊的情況,因此單利用氮同位素追蹤水體中硝酸鹽污染不能準(zhǔn)確判斷污染來源.為了探索更完善的檢測方法,開始對硝酸鹽中氧同位素的值域范圍進(jìn)行研究.

2.2 水體中不同來源硝酸鹽氧同位素值域

環(huán)境中氧的同位素主要以16O、17O和18O的形式存在,相對豐度分別為 99.76% 、 0.04% 和 0.20% .測定氧同位素時(shí),通常采用維也納標(biāo)準(zhǔn)海洋水(VSMOW)作為標(biāo)準(zhǔn)物.δ18O 的值計(jì)算方法同氮同位素.

通過閱讀大量文獻(xiàn),總結(jié)出了不同污染源硝酸鹽氧同位素的值域范圍(見表2),可分為三大類[15-17]:①大氣沉降作用;②硝態(tài)氮肥;③土壤微生物的硝化作用而產(chǎn)生的硝酸鹽(包括氨態(tài)氮肥、土壤中的氮、糞肥和污廢水中的硝酸鹽以及雨水中的氨).

表2 不同污染源硝酸鹽氧同位素的值域范圍

由表2可以看出,不同來源的硝酸鹽氧同位素的值域范圍有明顯差別,幾乎不存在值域范圍重疊的現(xiàn)象,故相對于利用氮同位素識別硝酸鹽污染的來源,利用氮和氧兩種同位素識別水中硝酸鹽污染來源在理論上更加精確.然而實(shí)際工作中測試值,且往往超出這一范圍較多.故又探索利用多種同位素聯(lián)合識別水體中硝酸鹽的污染來源.

3 多種同位素聯(lián)合識別水體中硝酸鹽的污染來源

4 結(jié)論與展望

雖然目前可以利用多種同位素識別水體中硝酸鹽的來源,但是識別的精確度卻不能滿足研究的需要,需要在不斷優(yōu)化現(xiàn)有方法的同時(shí)提出新方法.由于同位素分餾作用的存在,使得識別硝酸鹽來源的結(jié)果與真實(shí)情況有所差異,所以應(yīng)加強(qiáng)對同位素分餾作用的判別并對分餾過程進(jìn)行定量化,最大程度地減小分餾過程對同位素判源方法準(zhǔn)確性的影響.分餾過程定量化和利用相關(guān)模型定量識別水體中硝酸鹽污染應(yīng)該是以后深入研究的主要方向.

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【責(zé)任編輯: 胡天慧】

Tracking Nitrate Pollution Sources of Water Body by Using Multiply Stable Isotopes

WuNana1,QianHong1,LiYafeng1,WangYusi2

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. Liaoning Electric Power Survey & Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Corporation Limited, Shenyang 110179, China)

The principle of isotope tracer technique and the typical range of nitrate in theδ15N andδ18O are summarized. The method of combining different isotopes to identify the sources of nitrate pollution in water is described. The direction of future development in this field is discussed.

water body; nitrate pollution; nitrogen isotope; oxygen isotope

2016-12-12

遼寧省博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(201501070); 遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2015451);沈陽建筑大學(xué)學(xué)科涵育項(xiàng)目(XKHY2-53).

吳娜娜(1985-),女,山東棗莊人,沈陽建筑大學(xué)講師,博士.

2095-5456(2017)02-0103-04

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