王 波, 劉 彪, 王雪梅

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 天然產(chǎn)物穩(wěn)定同位素組學(xué)實驗室 陜西省輕化工助劑重點實驗室, 陜西 西安 710021)

0 引言

過去數(shù)十年,隨著工農(nóng)業(yè)活動的不斷增加,人類向環(huán)境中排放的硝酸鹽不斷增加,引起了河流、湖泊和海洋等水體富營養(yǎng)化等問題,同時也嚴(yán)重污染了地下飲用水,危害人們的身心健康發(fā)展[1-6].水體中硝酸鹽來源多種多樣,僅通過測定硝酸鹽的濃度并不能完全揭示硝酸鹽在自然環(huán)境中的來源以及生化轉(zhuǎn)化過程,而氮、氧穩(wěn)定同位素技術(shù)可有效識別硝酸鹽的來源及其轉(zhuǎn)化,因此,氮、氧穩(wěn)定同位素技術(shù)在硝酸鹽的溯源和貢獻(xiàn)比例解析方面具有廣闊的應(yīng)用前景[7,8].自然界中氧同位素分餾會造成含氧物質(zhì)δ18O差異,水體中硝酸鹽氧同位素主要源于農(nóng)藥化肥(+17 mUr ～+25 mUr)[9]、生活生產(chǎn)中污水排放(-5 mUr～+10 mUr之間)[10]、土壤有機(jī)質(zhì)(-10 mUr～+10 mUr)[11]、動物糞便(+5 mUr～+7 mUr)[10]、大氣沉降(+25 mUr～+75 mUr)[12].因此研究人員利用氮、氧穩(wěn)定同位素技術(shù),示蹤硝酸鹽氮、氧元素循環(huán),揭示其在自然環(huán)境中的遷移、生化轉(zhuǎn)化過程[6],以減少其對人體健康的危害[13,14].

目前,硝酸鹽δ15N和δ18O分析方法主要有離子交換法、化學(xué)轉(zhuǎn)化法和細(xì)菌反硝化法三種.離子交換法測定硝酸鹽N、O同位素組成由Chang等[15]建立,該方法首先將水樣通過陰離子交換樹脂,使樣品中所有的陰離子富集在樹脂上;再用鹽酸將富集在樹脂上陰離子洗脫下來,然后加入Ag2O調(diào)節(jié)pH約為6～7,硝酸鹽轉(zhuǎn)化為AgNO3;通過離心除去反應(yīng)體系中剩余的Ag2O和AgCl沉淀及其它不溶性銀鹽;將離心得到的含有AgNO3的溶液進(jìn)行冷凍干燥,冷凍干燥后的AgNO3樣品直接在EA/IRMS上測試,獲得δ15N值[16].若要獲得δ18O值,需要進(jìn)一步利用BaCl2沉淀AgNO3溶液中微溶的Ag2SO4和Ag3PO4,再通過陽離子樹脂(H型)和Ag2O中和兩步處理,才能用EA/IRMS測定O同位素組成[17,18].該方法缺點是實驗大量使用Ag2O、成本高,分析一個樣品花費約600人民幣[19],并且樣品衍生過程復(fù)雜,需要5步操作才能完成,整個流程耗時3～5天時間.

圖1 硝酸鹽衍生流程對比

1 實驗部分

1.1 化學(xué)試劑

陰離子交換樹脂(200-400目,美國Bio-Rad有限公司生產(chǎn),AGI-X8 Cl型);Na2SO4、BaCl2(上海Adamas-beta試劑公司);HCl(上海阿拉丁生化科技有限公司);Ag2O(上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司);硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)品:USGS32(δ18O=25.7 mUr)、USGU34(δ18O=-27.9 mUr)、USGS35(δ18O=57.5 mUr).

1.2 實驗儀器

使用磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司,MS-H型);純水機(jī)(四川優(yōu)普超純科技有限公司,UPHW-90T型);可調(diào)式移液槍(德國Eppendorf公司,Research plus型);冷凍干燥機(jī)(德國Christ公司,Alpha2-4LDPlus型);離心機(jī)(德國Sigma公司,3-30KS型);電熱恒溫干燥箱(天津市中環(huán)電爐股份有限公司,DH-202型);十萬分之一電子天平(德國Sartorius公司,BSA224S型);百萬分之一電子天平(瑞士Mettler Toledo公司,XPR10型);超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司,KQ-500VD型);EA/IRMS(賽默飛世爾科技(中國)有限公司,MAT 253 plus型).

1.3 樣品采集和保存

樣品的采集:本研究分別采集了西安周邊浐河及灞河流域的淡水水樣.浐河、灞河流經(jīng)的西安市區(qū)縣內(nèi)人口密集、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為發(fā)達(dá),采樣點包括灞河-廣運家園、灞河-開心農(nóng)場、灞河-富力分校、灞河-水吳新村、浐河-穆將王立交、浐河-雁鳴湖公園;另外在灞河流出秦嶺山脈的峪口附近也采集了水樣,該流域人口少,受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響干擾小,采樣點為灞河-馮家灣村.

樣品的保存:采集水樣(1～3L),收集在預(yù)先用超純水清洗過的塑料瓶中,放入盛有干冰的收集箱中.待樣品運回實驗室后,在-20℃的冰箱中冷凍保存,以減少硝酸鹽同位素的分餾.

1.4 樣品衍生:將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸銀

(2)含氧陰離子的去除:過濾掉水樣中的不溶雜質(zhì),取1～3 L水樣,加入BaCl2(每升水樣加582 mg的BaCl2),攪拌10 min,然后在冰箱中(2 ℃～5 ℃)放置5 h使其充分沉淀,離心或過濾除去BaSO4和Ba3(PO4)2沉淀;

1.5 EA/IRMS儀器測試分析

在百萬分之一天平上準(zhǔn)確稱量硝酸銀樣品0.1～0.2 mg,用EA/IRMS分析專用的銀杯將樣品包裹好后,通過自動進(jìn)樣器完成進(jìn)樣.在連續(xù)流模式下,硝酸鹽樣品首先在熱解爐(1 350℃)中被高溫?zé)峤?高溫還原)為CO和N2氣體.緊接著CO和干擾氣體N2在高純氦氣的運載下,通過一個1米長的分子篩柱在線分離,經(jīng)純化后的CO通過分流接口進(jìn)入同位素比值質(zhì)譜進(jìn)行檢測.在電離室中,CO氣體被電離為[12C16O]+,[12C17O]+和[13C16O]+,[12C18O]+和[13C17O]+,IRMS記錄質(zhì)量分別為28、29和30的離子電流,并用ISODAT 3.0軟件將其轉(zhuǎn)換為δ18O值(圖2).所有氧同位素比值都以相對于VSMOW的標(biāo)準(zhǔn)δ值來報告δ18O=(RSA-RVSMOW)/RVSMOW,其中RSA指樣品的重同位素(18O)與輕同位素(16O)的豐度比,RVSMOW指原子能機(jī)構(gòu)VSMOW標(biāo)準(zhǔn)的豐度比.AgNO3固體在EA/IRMS測試δ18O圖譜如圖3所示.

圖2 EA/IRMS分析硝酸銀δ18O原理示意圖

圖3 硝酸銀在EA/IRMS測試δ18O圖譜

2 結(jié)果與討論

2.1 干擾離子和的去除

2.2 微量雜質(zhì)對硝酸根氧同位素測定的影響

配制含有0.5% Na2SO4(δ18O=21.50 mUr)的USGS32樣品:稱取10 mg硝酸鹽同位素國際標(biāo)準(zhǔn)品USGS32和0.05 mg的Na2SO4(δ18O=21.50 mUr)溶于10 mL的去離子水中,待完全溶解后,冷凍干燥即可.用同樣的方法可分別配制出含1%、5%和10% Na2SO4的USGS32樣品,以及含有0.5%、1%、5%和10% Na2SO4的USGS34樣品和USGS35樣品共12組,然后用EA/IRMS測量12組樣品的δ18O值,其結(jié)果如表1、表2、表3所示.

表1 硫酸鹽雜質(zhì)對USGS 32氧同位素

表2 硫酸鹽雜質(zhì)對USGS 34氧同位素

表3 硫酸鹽雜質(zhì)對USGS 35氧同位素

2.3 BaCl2除離子的反應(yīng)過程對硝酸鹽氧同位素影響

圖4 BaCl2除離子對硝酸鹽δ18O 的影響

2.4 全流程的同位素分餾分析評估

為評價改進(jìn)后方法的可靠性和測量的精確度和準(zhǔn)確度,三個硝酸鹽國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)USGS32、USGS34和USGS35被溶解在去離子水中,得到三個不同硝酸鹽氧同位素組成的水樣.然后使用改進(jìn)后方法將3個水樣中的硝酸鹽衍生為AgNO3,并在EA/IRMS完成測試,結(jié)果如表4所示.對衍生后的AgNO3樣品進(jìn)行測試,儀器重復(fù)測量的精度均優(yōu)于0.8 mUr,且三次測試的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.5,這表明δ18O-AgNO3離散程度小,δ18O-AgNO3值偏離平均值較小.

表4 全流程δ18O測定值

圖5以國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)δ18OUSGS值為橫坐標(biāo),以經(jīng)全流程衍生為AgNO3的δ18O值為縱坐標(biāo)繪制曲線.由圖5可知,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的δ18OUSGS值與經(jīng)改進(jìn)后的方法衍生得到的AgNO3的δ18O值具有非常高的相關(guān)性(R2=0.999 8),回歸曲線方程的斜率接近于1(k=0.99),說明該衍生方法引起的同位素分餾十分微小.在酸性條件下,硝酸根的氧原子會與水分子中的氧原子發(fā)生交換,造成同位素分餾[24],這可能是該方法產(chǎn)生微小分餾的主要原因.但由于在該方法中,硝酸根離子在酸性環(huán)境中停留的時間十分短暫,因此引起的同位素分餾很小.回歸曲線的截距0.11 mUr,表明硝酸鹽的回收基本是完全的,而化學(xué)轉(zhuǎn)化法和細(xì)菌還原法的截距分別為83 mUr[20]和38 mUr[22-23],說明該衍生方法的準(zhǔn)確度和可靠性優(yōu)于后兩者.

圖5 全流程δ18O測定標(biāo)準(zhǔn)回歸線

2.5 灞河和浐河水文參數(shù)及硝酸鹽氧同位素測定

為了檢驗該方法的實用性,本文在陜西省西安市附近的浐河和灞河的不同位置采集了樣品,使用改進(jìn)后的離子交換法對水樣中硝酸鹽進(jìn)行了衍生,并利用EA/IRMS測試了δ18O值.樣品的水文參數(shù)和硝酸鹽氧同位素值如表5所示.

表5 灞河和浐河水文參數(shù)及硝酸鹽氧同位素組成

3 結(jié)論