铵锌镉还原法测试硝酸盐氮、氧同位素方法研究

本研究利用铵锌镉还原法将海水、湖水和自来水水体中硝酸盐转化为N₂O气体测试氮、氧同位素, 结果表明当反应体系的pH值在6～8之间, NO₃^-还原为NO₂^-的转化率大于95%, NO₂^-还原为N₂O的转化率大于99%。配置5种丰度的硝酸盐氮、氧同位素标样, 将实验结果与理论值绘制校准曲线, 氮同位素校准曲线斜率为0.48, 相关性良好(R²=0.999 8), 5种丰度δ¹⁵N_N2O标准偏差在0.18‰～0.43‰之间(n=5);氧同位素校准曲线斜率为0.70, 相关性良好(R²=0.999 6), 5种丰度δ¹⁸O_N2O标准偏差在0.27‰～0.46‰之间(n=5)。铵锌镉还原法与镉柱还原法测定硝酸盐氮、氧同位素结果的精密度和准确度一致, 同时海水、湖水和自来水3种不同类型水样的硝酸盐氮、氧同位素测试数据满足实验要求, 而且在实验流程的简洁性和高效性方面更具优势。     

三价钛还原法分析硝酸根氮氧同位素的方法研究

本研究利用三价钛还原法将标准样品、海水、湖水和雨水中硝酸根转化为N₂O测试其氮氧同位素值,并优化实验条件（NO^-₃浓度、试剂量、反应时间和温度等）。结果表明：4 cm³硝酸根水样（浓度约为20 μmol/dm³）,加入100 mm³TiCl₃溶液（浓度为150 g/dm³）,25 ℃反应24 h,NO^-₃还原为N₂O的平均转化率为86.3%（n=5）。5种丰度硝酸根氮氧同位素标样校准曲线斜率分别为0.947和0.617,相关系数R²分别为0.999和0.994;方法检出限的NO^-3浓度为2.5 μmol/dm³,其δ¹⁵N的标准偏差小于0.7‰(n=5),δ¹⁸O_VSMOW值的标准偏差小于2.5‰(n=5);20 μmol/dm³硝酸根样品δ¹⁵N的标准偏差小于0.5‰（n=5),δ¹⁸O_VSMOW值的标准偏差小于1.0‰（n=5）。该方法测定3种不同类型水样δ¹⁵N的标准偏差分别为0.3‰、0.6‰和0.5‰;δ¹⁸O_VSMOW的标准偏差分别为2.1‰、2.0‰和1.6‰。三价钛还原法分析水体中硝酸根氮氧同位素操作步骤简单,测试效率高,但氧同位素结果需要系统校正。     

球形棕囊藻同化吸收硝酸盐的氮氧稳定同位素分馏研究

球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)赤潮是一种全球范围的生态灾害,而硝酸盐稳定同位素技术是研究海洋富营养化与赤潮暴发机制的前沿技术。为将该技术应用于球形棕囊藻赤潮暴发机制方面的研究,首先需了解其同化吸收硝酸盐的稳定同位素分馏特征。为此开展了球形棕囊藻室内培养实验,获取培养过程中氮、磷、硅等营养盐的浓度及硝酸盐氮、氧稳定同位素(δ¹⁵N-NO₃^-、δ¹⁸O-NO₃^-)等参数的变化特征,计算球形棕囊藻同化吸收硝酸盐的稳定同位素分馏系数。结果显示,NO₃^-和PO₄^3-浓度随培养时间均呈现先明显下降后稳定的特征,同时伴随直径2~3mm的囊体出现并生长至2~3cm。NH₄⁺浓度先后两次出现升高,推测可能是受到有机氮矿化过程的补充所致。随NO₃^-浓度降低,δ¹⁵N和δ¹⁸O的值分别在第13天和第7天达到相对峰值。经计算,球形棕囊藻同化吸收硝酸盐过程δ¹⁵N和δ¹⁸O分馏系数分别为3.32‰±0.38‰和3.12‰±0.59‰,而前者的分馏系数呈逐渐降低的特点,原因可能是随球形棕囊藻生长,发生酶还原的NO₃^-较参与跨膜运输的NO₃^-比例逐渐升高。研究首次给出了球形棕囊藻同化吸收硝酸盐过程的氮、氧稳定同位素分馏系数及其变化特征,补充了海洋微藻同位素分馏数据库,为稳定同位素技术研究球形棕囊藻赤潮暴发的营养机制提供了重要的基础数据。     

一株嗜碱兼性好氧反硝化菌Marinobacter sp.B3的分离鉴定及脱氮性能研究

为获得反硝化脱氮效率较好的菌株,实验从海水螺旋藻培养体系中分离获得一株嗜碱兼性好氧反硝化菌, 通过观察细菌形态以及16S rRNA基因序列的同源性分析, 鉴定该菌株为海杆菌属, 命名为Marinobacter sp. B3。为明确该海杆菌的反硝化性能及氮转化途径, 研究开展了溶解氧(DO), 碳氮摩尔比(C/N), pH和温度等不同单因素对反硝化性能影响实验和氮平衡实验。单因素影响实验结果表明, 当硝酸钾(KNO₃)作为唯一氮源, NO₃^--N的初始浓度为100 mg/L, 盐度32, 振荡速度为150 r/min (初始DO质量浓度是5.6 mg/L), C/N=10, pH=8.0±0.2, 温度为35 °C时, 可获得最大脱氮效果。氮平衡实验结果得出, 在好氧环境下, 有20.11%的NO₃^--N转化为胞内氮, 5.58 mg/L的NO₃^--N转化为其他形态(NO₂^--N、NO₄⁺-N和有机氮), 74.72%转化为N₂释放; 厌氧环境下, 有26.65%的NO₃^--N转化为胞内氮, 72.86%的NO₃^--N转化为气态产物释放。最终实验结果表明, Marinobactersp. B3在好氧和厌氧条件下, 48 h对NO₃^--N的去除率分别为99.89%和93.80%, 具有较好的反硝化脱氮能力, 且在好氧条件下NO₃^--N去除效率更高, 在海水工厂化循环水养殖尾水处理方面具有良好的应用前景。     

ＧａｓｂｅｎｃｈⅡ ＩＲＭＳ升级Ｎ２Ｏ预富集装置测定海水硝酸盐的氮氧同位素

本研究研制了由气压棒、气体控制阀、不锈钢管冷阱、石英毛细管冷阱、杜瓦瓶、化学阱等构成的Ｎ２Ｏ预富集装置,通过扩展ＧａｓｂｅｎｃｈⅡ功能控制冷阱的升降,改造气体回路、进样针和样品盘,实现Ｎ２Ｏ的预富集以及ＧａｓｂｅｎｃｈⅡ自动进样与ＩＲＭＳ联机测定．通过将海水中的硝酸盐经化学方法转化成Ｎ２Ｏ,建立了海水硝酸盐氮、氧同位素的分析方法．研究表明,所建立方法对海水硝酸盐氮、氧同位素的分析具有很好的精度,硝酸盐δ１５Ｎ、δ１８Ｏ及峰面积的相对标准偏差分别小于１％、３％和５％．对采自南极普里兹湾海水样品中硝酸盐氮、氧同位素的分析结果与文献报道值吻合,也与海水硝酸盐氮、氧同位素组成的变化规律相一致,证明所建立的技术方法可成功运用于海水硝酸盐氮、氧同位素的分析．     

Gasbench Ⅱ-IRMS升级N_2O预富集装置测定海水硝酸盐的氮氧同位素

本研究研制了由气压棒、气体控制阀、不锈钢管冷阱、石英毛细管冷阱、杜瓦瓶、化学阱等构成的N_2O预富集装置,通过扩展GasbenchⅡ功能控制冷阱的升降,改造气体回路、进样针和样品盘,实现N_2O的预富集以及GasbenchⅡ自动进样与IRMS联机测定.通过将海水中的硝酸盐经化学方法转化成N_2O,建立了海水硝酸盐氮、氧同位素的分析方法.研究表明,所建立方法对海水硝酸盐氮、氧同位素的分析具有很好的精度,硝酸盐δ~(15)N、δ~(18)O及峰面积的相对标准偏差分别小于1%、3%和5%.对采自南极普里兹湾海水样品中硝酸盐氮、氧同位素的分析结果与文献报道值吻合,也与海水硝酸盐氮、氧同位素组成的变化规律相一致,证明所建立的技术方法可成功运用于海水硝酸盐氮、氧同位素的分析.     

循环水养殖系统中好氧反硝化细菌的分离和应用

为了分离好氧反硝化细菌,探究其好氧反硝化过程。利用BTB培养基,从珍珠龙胆(♀Epinephelus fuscoguttatus×♂Epinephelus lanceolatu)循环水养殖系统的生物滤池中筛选出具有硝酸盐去除能力的细菌,并选择脱氮效果良好的菌株进行好氧反硝化反应器的构建,开展反硝化应用研究。本研究共分离出8株具有去除硝酸盐能力的菌株,经反硝化性能测定,都可大幅去除硝酸盐,同时也存在不同程度的氨氮和亚硝酸盐的积累;选择Z1、Z8两株脱氮效果较好的菌株进行好氧反硝化反应器的混合接种试验,结果显示反应器挂膜迅速、高效,接种2周后即达到相对稳定的水处理状态,硝酸盐去除率超过98.8%(约0.827g NO-3-N/(m2·d)),总氮去除率超过71.8%(约0.687g TN/(m2·d)),亚硝酸盐和氨氮的积累不明显,脱氮效果良好。     

海洋悬浮颗粒物中氮同位素的 EA-IRMS法测定

本测定方法利用元素分析 同位素质谱 (EA IRMS)分析系统 ,设计改装了一套适用于大气氮标定钢瓶氮同位素的封闭分析系统 ,并建立了测定悬浮颗粒物中氮同位素的分析方法 .将海水样品经 45 0℃预燃烧过的玻璃纤维滤膜过滤 ,获得悬浮颗粒物 .设定大气δ1 5N值为零 ,连续进样 12次 ,测定大气氮的δ1 5Nair 值为 ( 0 .0 2±0 .0 3)‰ ;并对参考气高纯钢瓶氮进行了标定 ,其δ1 5Nair值为 ( -0 .0 9± 0 .0 2 )‰ ;其离子强度在 0 .5 0～ 6 .0V之间具有良好的线性 ,样品分析精度优于 0 .15‰ .采用该方法实测 5 8份海水悬浮颗粒物 ,获得1 5N天然丰度平均值为 0 .36 7% .     

海洋沉积物中反硝化细菌的分离及去除硝酸盐氮的模拟试验

从长江口沉积物中筛选分离出了海洋反硝化细菌,模拟了该细菌对不同浓度水平硝酸盐氮的去除效率。研究结果表明,分离出的海洋反硝化细菌能有效去除海水中硝酸盐氮,在硝酸盐氮的初始浓度为 1 mg/L,1 d 内硝酸盐氮去除率就达到了 70 %;在 100 mg/L 硝酸盐氮模拟试验中,约在一周内能将 90 % 硝酸盐氮去除。试验证明反硝化细菌的生长与水体中硝酸盐氮浓度有一定的相关关系,一旦生物修复过程完成,反硝化细菌就会大量死亡,水体重新恢复到清澈透明状况。     

天然海水硝酸盐氮同位素组成的蒸馏法测定

建立了测定天然海水中硝酸盐氮同位素组成的蒸馏法,该方法主要是在碱性条件下利用戴氏合金将海水中的硝酸盐还原为氨,后利用稀盐酸吸收生产的氨,将得到的氨吸收液浓缩后干燥结晶,利用同位素比值质谱仪测定所得晶体的氮同位素组成。研究中开展了戴氏合金添加量及氨吸收溶液在不同条件下干燥结晶对氮同位素测值的影响研究。结果表明,戴氏合金添加量为3.0 g及60 ℃下直接干燥结晶为最佳的实验条件。所建立的氨蒸馏法氮空白值仅为(0.90±0.19) μmol,低于此前文献报道的氮空白值;氮同位素组成(δ15N)空白值为(-14.7±4.1)×10-3。运用所建立的氨蒸馏法实测得到的硝酸盐δ15N值与氨扩散法、硝酸盐直接测定法得到的数值非常吻合,进一步证明所建立氨蒸馏法的可靠性。改进后的氨蒸馏法适用于硝酸盐浓度在2~50 μmol/dm3内的天然海水硝酸盐氮同位素组成的测定,方法的标准偏差为±0.3×10-3。     

酸化过程对不同碳酸钙含量的海洋沉积物中总氮及其同位素分析的影响

为节约成本和样品，一些学者同时分析海洋沉积物中的碳、氮及其同位素（TOC、TN、δ¹³C和δ¹⁵N）。分析沉积物中的δ¹³C，需要对样品进行酸化去除无机碳，但是这一酸化过程会使TN和δ¹⁵N的分析结果产生偏差，且偏差范围与沉积物中无机碳含量（CaCO₃）有关。本研究选取了低CaCO₃含量（1-16%）和高CaCO₃含量（20-40%）的海洋沉积物样品，比较了酸化过程对TN和δ¹⁵N的影响。研究结果表明，酸化过程对海洋沉积物中TN和δ¹⁵N的分析结果产生了显著影响。对于低CaCO₃含量的样品，酸化导致样品中TN流失了约0-40%，δ¹⁵N偏移了约0-2‰；而对于高CaCO₃含量的样品，酸化导致样品中TN流失了约10-60%，δ¹⁵N偏移了约1-14‰。表明酸化对TN和δ¹⁵N的影响已经超过了仪器的误差范围0.002%（TN）和0.08‰（δ¹⁵N），将影响TN和δ¹⁵N的环境指示意义。因此，即使海洋沉积物样品中CaCO₃含量很低，也必须用原样分析TN和δ¹⁵N以避免酸化过程的影响。     

生物固氮速率测定中15N2同位素示踪剂的引入

生物固氮作用是一个重要的海洋新氮来源，在海洋生物地球化学循环中扮演着不可替代的角色。基于稳定同位素（15N₂）示踪吸收法，是目前直接测定海洋生物固氮速率最有效的手段。其中，高效、洁净地将15N₂引入海水培养体系，并准确定量培养体系底物的同位素示踪水平，是同位素示踪吸收法准确获取固氮速率的关键。本研究针对15N₂同位素示踪剂引入这一关键环节进行了探讨，确认改进气泡法是将15N₂引入海水培养体系的首选操作。在对培养体系造成的较小扰动的情况下，可将培养体系氮气底物的15N原子丰度提升至10%以上，相对于另一种导入同位素示踪剂的手段——预溶解海水法，改进气泡法将培养瓶中氮气底物的15N原子丰度提升了近200%。此外，改进气泡法还具有最小化痕量金属沾污、操作简便等优点。将改进气泡法结合与稳定同位素比值质谱测定结合，是准确测定水体生物固氮速率的推荐方法。     

同位素示踪技术在海洋环境研究中的应用

综合δD、δ18O、224Ra、226Ra、228R、钍系同位素和210Pb、14C等同位素示踪技术研究的最新成果,概述了同位素示踪技术在海洋水体运动、颗粒动力学、海洋生物生产力、沉积动力学、古海洋学等方面的研究进展,提出了在这一领域应重点发展的研究方向,以期推动同位素示踪技术在海洋环境研究中的应用。     

Nitrogen and oxygen isotopic composition of N2O from suboxic waters of the eastern tropical North Pacific and the Arabian Sea—measurement by continuous-flow isotope-ratio monitoring

Nitrous oxide (N₂O) is a trace gas that is increasing in the atmosphere. It contributes to the greenhouse effect and influences the global ozone distribution. Recent reports suggest that regions such as the Arabian Sea may be significant sources of atmospheric N₂O.In the ocean, N₂O is formed as a by-product of nitrification and as an intermediary of denitrification. In the latter process, N₂O can be further reduced to N₂. These processes, which operate on different source pools and have different magnitudes of isotopic fractionation, make separate contributions to the ¹⁵N and¹⁸O isotopic composition of N₂O. In the case of nitrification in oxic waters, the isotopic composition of N₂O appears to depend mainly on the ¹⁵N/¹⁴N ratio of NH⁺₄ and the ¹⁸O/¹⁶O ratio of O₂ and H₂O. In suboxic waters, denitrification causes progressive ¹⁵N and ¹⁸O enrichment of N₂O as a function of degree of depletion of nitrate and dissolved oxygen. Thus the isotopic signature of N₂O should be a useful tool for studying the sources and sinks for N₂O in the ocean and its impact on the atmosphere.We have made observations of N₂O concentrations and of the dual stable isotopic composition of N₂O in the eastern tropical North Pacific (ETNP) and the Arabian Sea. The stable isotopic composition of N₂O was determined by a new method that required only 80–100 nmol of N₂O per sample analysis. Our observations include determinations across the oxic/suboxic boundaries that occur in the water columns of the ETNP and Arabian Sea. In these suboxic waters, the values of δ¹⁵N and δ¹⁸O increased linearly with one another and with decreasing N₂O concentrations, presumably reflecting the effects of denitrification. Our results suggest that the ocean could be an important source of isotopically enriched N₂O to the atmosphere.     

海洋铪同位素演化及其对大陆物源与洋流变化的启示

尽管海洋铪(Hf)同位素早在20世纪80年代就有报道,但直到最近几年随着分析测试技术的发展,它作为示踪陆源风化输入和洋流循环改变的新指标才越来越受到关注。综述了全球大洋Hf同位素现代分布以及新生代演化特点,其中最重要的现象是Nd-Hf同位素投影图上海水与岩石具有不一致的趋势线。在这些观测资料的基础上着重讨论了围绕海洋Hf同位素物源争议的一系列问题,阐述了海洋热液系统、大陆差异风化、洋岛陆架沉积物溶解等对海洋Hf的贡献以及Hf,Nd存留时间不一致等对海洋Hf同位素的影响等。弄清Hf的海洋地球化学行为,对深入认识海洋Hf的循环以及古海洋演化具有着重要的意义。     

夏季大亚湾悬浮颗粒有机物碳、氮同位素组成及其物源指示

2015年夏季开展了大亚湾悬浮颗粒有机物碳（POC）、氮含量（PN）及其同位素组成的研究,结果表明,δ13C_POC和δ15N_PN的变化范围分别为-25.7‰~-17.4‰和-6.3‰~10.4‰,平均值分别为-20.2‰和8.2‰。大亚湾悬浮颗粒有机物含量及其碳氮同位素组成的空间变化反映了不同有机质来源的影响:喜洲岛附近海域表现出高POC、PN、δ13C_POC和δ15N_PN的特征,指征着浮游植物水华的主导贡献;东北部范和港附近海域具有高POC、PN、低δ13C_POC和高δ15N_PN的特征,反映了河流/河口水生有机物的影响;湾顶白寿湾附近海域的δ13C_POC和δ15N_PN出现低值,体现了陆源有机质和人类污水排放的影响。借助δ13C_POC和δ15N_PN的三端元混合模型,定量出海洋自生有机质、陆源有机质、河流/河口水生有机质等3个来源的贡献平均分别为70%、13%和17%,其中海洋自生有机质是夏季大亚湾悬浮颗粒有机物的最主要来源。从这3种来源颗粒有机物含量的空间变化看,海洋自生有机质含量由湾内向湾外减少,与初级生产力的空间变化相对应;河流/河口水生有机质含量在大亚湾东北部出现高值;陆源有机质含量在表、底层出现不同态势,表层陆源有机物含量在湾中部海域最低,而底层则呈现出自湾内向湾口增加的趋势,主要受控于离岸距离和珠江冲淡水、粤东沿岸上升流输送的影响。     

中国近海沉积物中钍同位素的分布

本文对采自中国7个近岸海域的沉积物中钍(铀)同位素的分布进行了研究。发现表层沉积物中,~(230)Th/~(232)Th)_(A.R.)均小于1.0且呈均匀分布的态势。但~(230)Th/~(232)Th)_(A.R.)的数值及其深度分布特征与深海沉积物截然不同。~(230)Th/~(232)Th)_(A.R.)与水深呈良好的正相关。钍系不平衡普遍存在,其特征是~(228)Th/~(232)Th)_(A.R.)<1.0,据此推测了沉积物中可溶化学物质与上覆海水发生交换的深度。研究了沉积物中~(232)Th的含量、比度和~(232)Th/~(238)U)_(C.R.)的分布特征。从~(234)Th_(ex.)的深度分布求出秀屿站的表层混合系数(0.49×10~(-6)cm~2/s)和沉积柱中~(234)Th_(ex.)的总量。     

Geochemical characteristics of gases from the largest tight sand gas field (Sulige) and shale gas field (Fuling) in China

This study performed a detailed geochemical analyses of the components, stable carbon isotopes of alkane gas and CO₂, stable hydrogen isotopes of alkane gas and helium isotopes of reproducing gas from the largest tight gas field (Sulige) and shale gas (Fuling) field in China. The comparative study shows that tight gas from the Sulige gas field in the Ordos Basin is of coal-derived origin, which is characterized by a positive carbon and hydrogen isotopic distribution pattern (δ¹³C₁ > δ¹³C₂ > δ¹³C₃ > δ¹³C₄; δ²H₁ > δ²H₂ > δ²H₃), i.e., the carbon and hydrogen isotopes increase with increasing carbon numbers. Carbon dioxide from this field are of biogenic origin and the helium is crust-derived. Shale gas from the Fuling shale gas field belongs to oil-derived gas which has complete carbon and hydrogen isotopic reversal of secondary alteration origin (δ¹³C₁ < δ¹³C₂ < δ¹³C₃; δ²H₁ < δ²H₂ < δ²H₃), i.e., the carbon and hydrogen isotopes decrease with increasing carbon numbers. Such complete isotopic reversal distribution pattern is due to the secondary alteration like oil or gas cracking, diffusion and so on under high temperature. In that case, positive carbon or hydrogen isotopic distribution pattern will change into complete isotopic reversal as the temperature increases. Carbon dioxide is of abiogenic origin resulting from the thermal metamorphism of carbonates and helium is crust-derived.     

镭、氡同位素示踪调水调沙对黄河口水体运移及营养盐分布特征的影响

为研究调水调沙影响下的镭、氡同位素和营养盐在黄河口的分布特征,于2013年7月调水调沙期间在黄河口及其邻近海域进行了多点的连续观测。研究发现:(1)黄河口海域镭、氡同位素分布呈现明显的“分区”现象,南北两区分别为“调水调沙影响非显著区域”和“调水调沙影响显著区域”,北部海域镭、氡同位素浓度高值主要来源于陆源输入(包括河流输入和海底地下水排放);(2)调查期间,北部海域水体年龄为(2.9±1.6)d,南部海域水体年龄为(5.0±2.1)d;水龄随潮汐变化表现出涨潮时水龄增大、落潮时水龄减小的波动趋势;(3)北部海域溶解无机氮(DIN)和溶解硅(DSi)含量明显高于南部海域,而溶解无机磷(DIP)在两个区域的含量相差不大。     

Nitrate δ15N and δ18O evidence for active biological transformation in the Changjiang Estuary and the adjacent East China Sea

The Changjiang Estuary has been considered as one of the most polluted estuaries in the world due to high nitrate (NO-3) input, especially in spring and summer. In this study, δ15N and δ18O of NO-3 , along with other chemical parameters in this area, were measured in spring to evaluate NO-3 biogeochemical processes. A simple two end-members mixing model was used to examine the relative contribution of the Changjiang River Diluted Water and marine water to NO-3 sources in the Changjiang Estuary and the adjacent East China Sea. The isotopic signals show that NO-3 behaved relatively and conservatively in Transect F and Transect P where assimilation was weak possibly due to vertical mixing, while active assimilation and weak nitrification occurred in Transect D. Spatial difference in assimilation was indicated by the～1:1 enrichment of δ15N and δ18O in the three transects, while spatial difference in nitrification was reflected by deviations of δ15 N and δ18O from assimilation line. Our results suggest that the input of the Changjiang River Diluted Water promoted NO-3 assimilation possibly by stratifying the water column which favored the phytoplankton growth.