海水中總溶解氮測定的高溫燃燒法和濕化學氧化法的比較

閻雪姣, 王江濤

(中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室, 山東 青島266100)

海水中總溶解氮測定的高溫燃燒法和濕化學氧化法的比較

閻雪姣, 王江濤

(中國海洋大學 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室, 山東 青島266100)

對測量海水中總溶解氮(TDN)的兩種常用方法——高溫燃燒法和過硫酸鉀氧化法進行了比較。結果表明, 兩種方法在空白、精密度和準確度實驗中不存在顯著差異。對不同化合物的回收率均在92%～107%之間, 加標回收實驗回歸曲線的斜率分別為0.93和0.92。對于現場海水樣品的測定結果, 兩個斷面擬合的斜率分別為0.92和0.97。HTC法比PO法對實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溶解氮(TDN)的測定。

總溶解氮; 高溫燃燒法; 過硫酸鉀氧化法; 海水

氮是海洋環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元素, 也是引起水體富營養化的主要因素之一[1-3]。對于天然水體中氮的研究主要集中在無機氮部分, 然而近年來研究發現, 溶解有機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]。海水中溶解有機氮(DON)現在沒有很好的直接測定方法, 現行方法是通過總溶解氮(TDN)含量減去溶解無機氮(DIN)含量獲得。目前常用過硫酸鉀氧化法(PO)測量海水中的總溶解態氮, 但高溫燃燒法(HTC)近年來也備受關注[7]。HTC法可以同時測得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物的來源和循環。HTC法測定海水中的TDN, 國際上已經開展了此項工作的研究[9-13], 但國內開展的還不多, 本研究采用HTC法測定了長江口海域的TDN,并將HTC法與經典的過硫酸鉀氧化法進行了對比。

1 實驗部分

1.1 樣品采集與處理

本實驗以Milli-Q水為空白, 用KNO3和Milli-Q水配置氮標準。配制方法為： 取硝酸鉀(預先在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, 配制標準系列。

于2010年5月在東海近岸海域選取ra、rb兩個斷面, 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, 轉化為NO, 隨后在反應室內NO與來自臭氧發生器的 O3發生反應, 轉化為激發態的NO2, 當激發態的NO2躍遷到基態時發射出光子, 所發射的光子強度由光電倍增管按特定波長進行檢測,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。化學反應式如下所示：

本實驗使用的HTC儀器為島津TOC-VCPH型總有機碳分析儀。測量TN的單元TNM-1構造圖如圖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, 過硫酸鉀分解產生硫酸氫鉀和原子態氧, 分解出的原子態氧在 120～124 ℃下, 可使水樣中含氮化合物中的氮轉化為硝酸鹽,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)-乙二胺產生偶合反應生成紫紅色的偶氮染料, 然后經分光光度計比色測定, 得出TDN的含量[14]。

2 結果與討論

2.1 標準與空白

以 KNO3為標準配制濃度為 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, 標準曲線的截距為方法的空白,回歸方程和回歸系數分別為：

HTC：y= 0.999 7x+ 0.322 0;R2 = 0.999 3

PO：y= 1.001 5x- 0.032 1;R2 = 0.999 9

兩種方法測得的標準曲線斜率都很接近1, 說明兩種方法都比較穩定, 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 精密度與準確度

分別設計了兩組重復性實驗和兩組加標實驗,以檢驗方法的精密度和準確度。海水樣品1和樣品2分別重復測定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, 經檢驗無顯著差異。兩種方法的變異系數(CV)分別在1.39～4.17和1.00～9.74之間,標準差(SD)分別在0.46～0.60和0.33～1.81之間, 重復測量的平行性較好, 說明這兩種方法測量海水樣品時精密度都較高。HTC法加標10 μmol/L N和20 μmol/L N的回收率分別為104%和98.9%, PO法加標10 μmol/L N和20 μmol/L N的回收率分別為100.2%和100.7%。表明兩種方法加標后精密度、準確性都很好。

表1 精密度與準確度實驗結果Tab. 1 Results of precision and accuracy

2.3 加標回收率

海水中的有機物成分復雜, 不同的氧化方法對不同有機物的氧化能力可能有所不同, 實驗選取了幾種有機氮化合物, 配制濃度為 10 μmol/L N的溶液,用兩種方法分別進行回收實驗。實驗結果如表 2所示。

表2 不同含氮物質回收實驗結果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物回收率不同, 但是兩種方法的回收率都在可接受范圍內, 且兩種方法的結果比較接近。

為了比較海水樣品測定時, 這兩種方法結果的異同, 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, 用標準加入法來分別測定, 所得結果如圖3所示。

圖3 加標回收實驗Fig.3 Results of the recovery experiments

回歸方程和回歸系數分別為：

HTC 法： 測量濃度 = 0.93*加標濃度 + 23.89;R2 = 0.9972

PO 法： 測量濃度 = 0.92*加標濃度 + 24.38;R2 = 0.9948

回歸方程的斜率越接近 1, 氧化率越高。由本實驗的回歸方程可以看出, 這兩種方法用于海水測定時, 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, 兩種方法測得的結果也很接近, 沒有顯著差異。加標回收實驗的線性也很好,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法測得的結果為X軸, PO法測得的結果為Y軸, 其相關性如圖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誤差和誤差可能的來源, 兩個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, HTC法比PO法對實際海水樣品的氧化效率略高。可見在加標回收實驗中兩者的結果雖然很接近, 但加標實驗的加標物質只有EDTA, 而實際測量時海水中含氮有機物種類繁多, 因此兩種方法的氧化效率出現一定差異。尤其在高值時, 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,與空白試驗的結果也比較相近。因此, 可以認為,HTC法和PO法對于海水樣品中TDN的測定結果基本相同, 高值時PO法氧化效率低于HTC法。

在長江口附近, 東經 29°31′, 北緯 122°36′處選取一個點, 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, 其平均值和標準差(SD)如圖5、圖6所示。

圖4 斷面線性擬合結果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。深度不同時兩種方法的測定結果有一定的不同, 10 m層兩種方法的測定結果平均值差別最大, 標準差也最大, 其中PO法測量結果偏低。這有可能是采樣期間此海域10 m層生物活動性比較強烈[15], 有機氮含量增多, PO法氧化不完全,這與ra、rb兩個斷面樣品測量的結果一致。

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 結論

(1)HTC法和PO法測得的的標準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。加標實驗的回收率都接近100%, 兩種方法都比較穩定, 準確性好。

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

(3)在對于現場海水樣品的測量實驗中, 水平分布的兩個斷面用兩種方法測得的結果十分接近, 氧化率和空白都不存在顯著差異。垂直分布的擬合結果也很相近, 但在DON含量較高時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。

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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

國家自然科學基金項目(41076065); 國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2010CB428701)

閻雪嬌(1986-), 女, 山東淄博人, 碩士研究生, 研究方向：海洋生態化學, 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)