閻雪姣, 王江濤

(中國海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266100)

海水中總?cè)芙獾獪y定的高溫燃燒法和濕化學(xué)氧化法的比較

閻雪姣, 王江濤

(中國海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266100)

對測量海水中總?cè)芙獾?TDN)的兩種常用方法——高溫燃燒法和過硫酸鉀氧化法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明, 兩種方法在空白、精密度和準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)中不存在顯著差異。對不同化合物的回收率均在92%～107%之間, 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)回歸曲線的斜率分別為0.93和0.92。對于現(xiàn)場海水樣品的測定結(jié)果, 兩個(gè)斷面擬合的斜率分別為0.92和0.97。HTC法比PO法對實(shí)際海水樣品的氧化效率略高, 在操作上也更方便、快捷。因此, 高溫燃燒法更適合海水中總?cè)芙獾?TDN)的測定。

總?cè)芙獾? 高溫燃燒法; 過硫酸鉀氧化法; 海水

氮是海洋環(huán)境中維持生物生命活動的重要生源要素之一, 它是浮游植物生長過程中的重要營養(yǎng)元素, 也是引起水體富營養(yǎng)化的主要因素之一[1-3]。對于天然水體中氮的研究主要集中在無機(jī)氮部分, 然而近年來研究發(fā)現(xiàn), 溶解有機(jī)氮也可以作為浮游植物的一種氮源, 被浮游植物直接或間接利用[4-6]。海水中溶解有機(jī)氮(DON)現(xiàn)在沒有很好的直接測定方法, 現(xiàn)行方法是通過總?cè)芙獾?TDN)含量減去溶解無機(jī)氮(DIN)含量獲得。目前常用過硫酸鉀氧化法(PO)測量海水中的總?cè)芙鈶B(tài)氮, 但高溫燃燒法(HTC)近年來也備受關(guān)注[7]。HTC法可以同時(shí)測得DOC和TDN, 從而使得海水中 DOC/DON比值的測定具有方法上的一致性[8], 能夠更好地了解海洋中有機(jī)物的來源和循環(huán)。HTC法測定海水中的TDN, 國際上已經(jīng)開展了此項(xiàng)工作的研究[9-13], 但國內(nèi)開展的還不多, 本研究采用HTC法測定了長江口海域的TDN,并將HTC法與經(jīng)典的過硫酸鉀氧化法進(jìn)行了對比。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集與處理

本實(shí)驗(yàn)以Milli-Q水為空白, 用KNO3和Milli-Q水配置氮標(biāo)準(zhǔn)。配制方法為： 取硝酸鉀(預(yù)先在105～110 ℃下加熱3 h, 干燥器中冷卻)7.219 g, 用Milli-Q水配制氮濃度為1 000 mg /L的 TN儲備液, 取1 mL儲備液用 Milli-Q水稀釋至 100 mL, 為 TN使用液,分別取 0、1、2、3、5、10 mL 使用液, 用 Milli-Q水稀釋至100 mL, 配制標(biāo)準(zhǔn)系列。

于2010年5月在東海近岸海域選取ra、rb兩個(gè)斷面, 用 Niskin采水器采集表、中、底三層海水樣品, 采樣站位如圖1所示。海水樣品經(jīng)高溫灼燒過的GF/F濾膜過濾后, 冷凍保存于 100 mL磨口玻璃瓶中。

圖1 采樣站位Fig. 1 Sampling stations

1.2 方法原理

1.2.1 高溫燃燒法

水樣中的 TDN 在 720 ℃的含 Pt 催化劑的TOC 燃燒管中, 轉(zhuǎn)化為NO, 隨后在反應(yīng)室內(nèi)NO與來自臭氧發(fā)生器的 O3發(fā)生反應(yīng), 轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)的NO2, 當(dāng)激發(fā)態(tài)的NO2躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)射出光子, 所發(fā)射的光子強(qiáng)度由光電倍增管按特定波長進(jìn)行檢測,峰面積與水樣中的TDN濃度成正比, 即可得出樣品中的TDN濃度?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下所示：

本實(shí)驗(yàn)使用的HTC儀器為島津TOC-VCPH型總有機(jī)碳分析儀。測量TN的單元TNM-1構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2 TNM-1單元測量流程圖Fig. 2 Details of Analytical system for the TNM-1 analyser

1.2.2 過硫酸鉀氧化法

水樣中的 TDN用堿性過硫酸鉀在 120～124 ℃消解轉(zhuǎn)化為硝酸鹽, 再用鎘-銅還原偶氮比色法測定。在 60 ℃以上水溶液中, 過硫酸鉀分解產(chǎn)生硫酸氫鉀和原子態(tài)氧, 分解出的原子態(tài)氧在 120～124 ℃下, 可使水樣中含氮化合物中的氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽,再被鎘銅還原柱還原為亞硝酸鹽。亞硝酸鹽與對氨基苯磺酞胺重氮化, 再與鹽酸N-(l萘)-乙二胺產(chǎn)生偶合反應(yīng)生成紫紅色的偶氮染料, 然后經(jīng)分光光度計(jì)比色測定, 得出TDN的含量[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)與空白

以 KNO3為標(biāo)準(zhǔn)配制濃度為 0、7.14、14.28、21.42、35.71、71.43 μmol/L N 濃度系列, 用兩種方法分別測定 TDN, 標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距為方法的空白,回歸方程和回歸系數(shù)分別為：

HTC：y= 0.999 7x+ 0.322 0;R2 = 0.999 3

PO：y= 1.001 5x- 0.032 1;R2 = 0.999 9

兩種方法測得的標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率都很接近1, 說明兩種方法都比較穩(wěn)定, 空白值分別為 0.32 μmol/L N和-0.03 μmol/L N, 都適用于海水中 TDN 含量的分析。

2.2 精密度與準(zhǔn)確度

分別設(shè)計(jì)了兩組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和兩組加標(biāo)實(shí)驗(yàn),以檢驗(yàn)方法的精密度和準(zhǔn)確度。海水樣品1和樣品2分別重復(fù)測定8次; 兩組海水樣品2分別加入已知濃度的KNO3, 測定6次, 結(jié)果如表1所示。

可以看出, 對于同一樣品, 兩種方法測得的TDN含量十分相近, 經(jīng)檢驗(yàn)無顯著差異。兩種方法的變異系數(shù)(CV)分別在1.39～4.17和1.00～9.74之間,標(biāo)準(zhǔn)差(SD)分別在0.46～0.60和0.33～1.81之間, 重復(fù)測量的平行性較好, 說明這兩種方法測量海水樣品時(shí)精密度都較高。HTC法加標(biāo)10 μmol/L N和20 μmol/L N的回收率分別為104%和98.9%, PO法加標(biāo)10 μmol/L N和20 μmol/L N的回收率分別為100.2%和100.7%。表明兩種方法加標(biāo)后精密度、準(zhǔn)確性都很好。

表1 精密度與準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Results of precision and accuracy

2.3 加標(biāo)回收率

海水中的有機(jī)物成分復(fù)雜, 不同的氧化方法對不同有機(jī)物的氧化能力可能有所不同, 實(shí)驗(yàn)選取了幾種有機(jī)氮化合物, 配制濃度為 10 μmol/L N的溶液,用兩種方法分別進(jìn)行回收實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

表2 不同含氮物質(zhì)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Results of the recovery experiments with N-containing materals

由表 2可以看出, HTC法測定得到的回收率在92.1%～107%, PO法在93.1%～100%。雖然對于不同的有機(jī)物回收率不同, 但是兩種方法的回收率都在可接受范圍內(nèi), 且兩種方法的結(jié)果比較接近。

為了比較海水樣品測定時(shí), 這兩種方法結(jié)果的異同, 以海水為本底, 配制EDTA濃度為0、4、8、16、20、40、60 μmol/L N的濃度系列, 用標(biāo)準(zhǔn)加入法來分別測定, 所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)Fig.3 Results of the recovery experiments

回歸方程和回歸系數(shù)分別為：

HTC 法： 測量濃度 = 0.93*加標(biāo)濃度 + 23.89;R2 = 0.9972

PO 法： 測量濃度 = 0.92*加標(biāo)濃度 + 24.38;R2 = 0.9948

回歸方程的斜率越接近 1, 氧化率越高。由本實(shí)驗(yàn)的回歸方程可以看出, 這兩種方法用于海水測定時(shí), 回歸方程的斜率都接近1, 氧化率都較高。截距為本底海水的濃度, 兩種方法測得的結(jié)果也很接近, 沒有顯著差異。加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)的線性也很好,說明這兩種方法均可以很好地測定海水中 TDN的含量。

2.4 海水樣品測量

在東海海域選取了 ra和 rb兩個(gè)斷面, 分別用HTC法和PO法測定了海水樣品中的TDN。以HTC法測得的結(jié)果為X軸, PO法測得的結(jié)果為Y軸, 其相關(guān)性如圖4所示。

線性擬合的方程為： ra斷面：y= 0.92x- 0.89 ;rb 斷面：y= 0.97x+ 0.43

由擬合方程的斜率可以看出兩種方法之間的系統(tǒng)誤差和誤差可能的來源, 兩個(gè)斷面擬合的斜率分別為 0.92和 0.97, 從平均分布來看, 兩種方法的氧化效率相當(dāng), HTC法比PO法對實(shí)際海水樣品的氧化效率略高。可見在加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)中兩者的結(jié)果雖然很接近, 但加標(biāo)實(shí)驗(yàn)的加標(biāo)物質(zhì)只有EDTA, 而實(shí)際測量時(shí)海水中含氮有機(jī)物種類繁多, 因此兩種方法的氧化效率出現(xiàn)一定差異。尤其在高值時(shí), PO法測量值偏低, 氧化不完全。由線性擬合的截距可以看出兩種方法的空白是否存在差別, ra和 rb兩個(gè)斷面的擬合曲線截距分別為-0.89和 0.43, 都比較接近 0,與空白試驗(yàn)的結(jié)果也比較相近。因此, 可以認(rèn)為,HTC法和PO法對于海水樣品中TDN的測定結(jié)果基本相同, 高值時(shí)PO法氧化效率低于HTC法。

在長江口附近, 東經(jīng) 29°31′, 北緯 122°36′處選取一個(gè)點(diǎn), 每2 h取樣1次, 取樣深度分別為0、10 、20 、30、38 m, 分別用HTC法和PO法測量水樣中的TDN和DON, 其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)如圖5、圖6所示。

圖4 斷面線性擬合結(jié)果Fig. 4 Linear fit of section

圖5 HTC法和PO法垂直分布平均值(TN)Fig. 5 Average of Vertical distribution in HTC and PO method(TN)

由圖5、圖6可以看出, 在不同的深度, 兩種方法對于TN和DON的測定結(jié)果都比較相近, HTC法測得的值略高于PO法, 說明在垂直分布上, HTC法的氧化率略高于PO法。深度不同時(shí)兩種方法的測定結(jié)果有一定的不同, 10 m層兩種方法的測定結(jié)果平均值差別最大, 標(biāo)準(zhǔn)差也最大, 其中PO法測量結(jié)果偏低。這有可能是采樣期間此海域10 m層生物活動性比較強(qiáng)烈[15], 有機(jī)氮含量增多, PO法氧化不完全,這與ra、rb兩個(gè)斷面樣品測量的結(jié)果一致。

圖6 HTC法和PO法垂直分布平均值(DON)Fig. 6 Average of Vertical distribution in HTC and PO method(DON)

3 結(jié)論

(1)HTC法和PO法測得的的標(biāo)準(zhǔn)曲線和空白都很接近理論值, 空白值都較低, 兩種方法的精密度也都較高。加標(biāo)實(shí)驗(yàn)的回收率都接近100%, 兩種方法都比較穩(wěn)定, 準(zhǔn)確性好。

(2)在對不同化合物的回收實(shí)驗(yàn)和以海水為本底加標(biāo) EDTA的回收率實(shí)驗(yàn)中, 兩種方法氧化較完全,加標(biāo)實(shí)驗(yàn)的線性擬合結(jié)果也表明兩種方法均適合于海水中TDN的測量。

(3)在對于現(xiàn)場海水樣品的測量實(shí)驗(yàn)中, 水平分布的兩個(gè)斷面用兩種方法測得的結(jié)果十分接近, 氧化率和空白都不存在顯著差異。垂直分布的擬合結(jié)果也很相近, 但在DON含量較高時(shí)PO法的氧化率略低。因此HTC法比PO法更適于海水中TDN的測量, 其測定方法也更方便快捷。

[1] McCariby J．The uptake of urea by natural populations of marine phytoplankton [J]. Limnol Oceanogr, 1972,17： 738-748.

[2] 吳豐昌, 金相燦, 張潤宇, 等. 論有機(jī)氦磷在湖泊水環(huán)境中的作用和重要性[J]. 湖泊科學(xué), 2010, 22(1)： 1-7.

[3] Stepanauskas R, Leonardson L, Tranvik L J. Bioavailability of wetland-derived DON to freshwater and marine bacterioplankton[J]. Limnol Oceanogr, 1999, 44(3)：1477-1485.

[4] Stepanauskas R, Edling H, Tranvik L J. Differential dissolved organic nitrogen availability and bacterial aminopeptidase activity in limnic and marine waters[J].Microb Ecol, 1999, 38(3)： 264-272．

[5] 徐立, 吳瑜端. 有機(jī)氮化合物對海洋浮游植物生長的影響[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1995, 34(5)：824-828.

[6] Seitzinger S P, Sande R W. Atmospheric inputs of dissolved organic nitrogen stimulate estuarine bacteria phytoplankton. Limnol. Oceanorgr[J]. 1999, 44(3)：721-730．

[7] Suzuki Y, Sugimura Y, Itoh T. A catalytic oxidation method for the determination of total nitrogen dissolved in seawater[J]. Mar Chem, 1985, 16： 83-97.

[8] Georgina S, Malcolm N, Paul J, et al. Determination of dissolved organic carbon in seawater using high temperature catalytic oxidation techniques[J]. Trends in analytical chemistry, 2000, 19(8)： 498-506.

[9] Sharp J H, Beauregard A Y, Burdige D, et al. A direct instrument comparison for measurement of total dissolved nitrogen in seawater[J]. Mar Chem, 2004, 84：181-193.

[10] Sharp J H, Rinker K R, Savidge K B, et a1．A preliminary methods comparison for measurement of dissolved organic nitrogen in seawater[J]．Mar Chem,2002, 78： 171-184．

[11] Kazuhiko T, Kitao F. Characteristics on the determination of dissolved organic nitrogen compounds in natural waters using titanium dioxide and platinized titanium dioxide mediated photocatalytic degradation[J]. Water Research, 1996, 30(2)： 323-330.

[12] El-Sayed A B, Eric P A, Alan D T, et al. Determination of dissolved organic nitrogen in natural waters using high-temperature catalytic oxidation[J]. Trends in analytical chemistry, 2003, 22(11)： 819-827.

[13] Ambonguilat S, Gallard H, Garron A, et al. Evaluation of the catalytic reduction of nitrate for the determination of dissolved organic nitrogen in natural waters[J].Water research, 2006, 40(4)： 675-682.

[14] 嚴(yán)彩琴. 還原法測水中硝酸鹽氮[J]. 化學(xué)工程師,2006, 128(5)： 38-39.

[15] 周名江, 顏天, 鄒景忠. 長江口鄰近海域赤潮發(fā)生區(qū)基本特征初探[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 14(7)：1031-1038.

Method comparison for measurement of dissolved organic nitrogen in seawater using high temperature combustion and persulfate oxidation

YAN Xue-jiao, WANG Jiang-tao
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean university of China,Qingdao 266100, China)

Dec.,31,2010

total dissolved nitrogen, high temperature combustion, persulfate oxidation, seawater

Nitrogen is an important nutrition for halobios . As an important component of total dissolved nitrogen(TDN) , dissolved organic nitrogen (DON) has been paid more and more attention. Now, essentially all routine methods measure total dissolved nitrogen (TDN) and calculate DON by subtracting the dissolved inorganic nitrogen(DIN). In this study, two common methods for determination of DON： persulfate oxidation (PO) and high temperature combustion (HTC) were compared. The results show that both methods have good agreements at blank,precision and accuracy. They also resulted in high recovery for various nitrogen-containing compounds(92%～107%) with a slope of 0.93 and 0.92, respectively, which indicates a high oxidation rate. The results of field samples showed the slope of section linear fit results is 0.92 and 0.97. So both methods had their own advantages,but HTC method is more efficient.

P734.4

A

1000-3096(2012)05-0103-06

2010-12-31;

2011-09-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41076065); 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010CB428701)

閻雪嬌(1986-), 女, 山東淄博人, 碩士研究生, 研究方向：海洋生態(tài)化學(xué), E-mail： joantohyuk@126.com; 王江濤, 通信作者, 電話： 0532-66782506, E-mail： jtwang@ouc.edu.cn

(本文編輯：康亦兼)