地下水硝酸盐15N和18O同位素在线测试技术研究

测定水和土壤的氮氧同位素组成能够识别硝酸盐来源和研究氮素的迁移转化过程,用在线高温热解法测试硝酸盐的15N和18O同位素是目前应用最广泛、最流行的高新技术.但是由于离子源内NO的干扰,使该方法测定的δ㈨O值不准确,而采用He稀释法则可有效减少该项干扰 本文选取4个国际标准样品(IAEA-No-3、USGS32、USGS34和USGS35)和一个实验室标准样品(CUGL-No-1),使用元素分析仪耦合MAT 253稳定同位素比值质谱仪(EA-IRMS),在8个月时间内对100多个地下水样品进行238次测试,对在线高温热解测试硝酸盐15N和18O技术进行了检验,验证其实用性.得到三点新认识:①用KNO3作为靶样品形式成本低,且便于和国际标准对比;②在线高温热解法测定标准和样品中硝酸盐的15N和18O同位素组成需样量仅为500μg的KNO3,一次选样可同时测定NO3的δ15N和δ 18O,消耗时间仅720 s,δ15N和δ 18O的测试精度分别为0.25‰、0.6‰,达到了国外相应水平,速度快,效率高;③He稀释法可减少离子源内NO对δ 18O测试的干扰,不必改变EA-IRMS系统的任何硬件.     

运用氮、氧同位素技术判别常州地区地下水氮污染源

本文运用氮、氧同位素技术对常州地区地下水氮的污染来源进行了研究.结果表明：潜水和微承压水中NO3-含量高,平均含量为38.32 mg/L,δ^15N为4.818‰～32.834‰,δ^18O为12.502‰～20.757‰,反映了多数潜水和微承压水受到了厩肥和污水的污染;中深层承压水（第1承压水、第2承压水、第3承压水）中NO3^-含量低,NO3^-平均含量为0.52 mg/L,未受到氮污染,δ^15N为2.163‰～6.208‰,δ^18O为17.051‰～23.201‰,NO3^-应主要来源于早期形成时的大气降水.     

氮同位素技术的应用:土壤有机氮作为地下水硝酸盐污染源的条件分析

在土壤排水良好、氧化的地下水环境中,地下水的氮同位素组成反映了源的特征。当地下水硝酸盐的δ15N值在+4‰～+9‰范围内时,这个值域指示地下水硝酸盐污染源是土壤有机氮或化肥与粪便的混合。通过分析对比前人研究资料,地下水中硝酸盐是否来自土壤有机氮的转化,其前提条件是研究区土壤有机氮是否丰富,特别是包气带中是否积累了大量有机氮转化的NO3-,并以石家庄市地下水硝酸盐污染为例,说明了这种条件分析在氮同位素技术应用时的重要性。通过包气带岩性、有机质和NO3-含量分析、施肥区与未施肥区灌水试验对比,土壤有机氮不是石家庄市地下水NO3-的一个主要污染源。当地下水硝酸盐低浓度时(1991),85.7%的样品NO3-的δ15N值在+6.1‰～+8.4‰范围内,指示污染源主要为化肥与粪便的混合,而当现今的高浓度时,样品硝酸盐的δ15N均值(+9.9‰±4.4‰)大于+8‰和超过半数(65%)样品的δ15N值大于+8‰,指示污染源主要是粪便或含粪便的污水。     

激光同位素光谱法测量水中氢氧同位素组成的实验室间比对研究

激光同位素光谱分析方法是近些年使用较广泛的一种便捷、快速的测试稳定同位素组成的技术,能同时分析出水中δD、δ~(18)O同位素组成,因其操作简单,检测效率高,体积小,野外现场测试携带方便,迅速在环境、地质、生态和能源等领域得到广泛应用,但是该测试分析方法尚没有相应的国家标准,测试结果得不到有效的溯源,在使用过程中缺乏规范和统一。为此,本文通过在全国范围内12家实验室选取8个比对水样(δD值在-189.1‰~-0.4‰内,δ~(18)O值在-24.52‰~0.32‰内),利用激光同位素光谱法测试比对D/H和18O/16O值,探讨激光同位素光谱仪分析水中δD、δ~(18)O值的准确度和精密度。测试结果表明:各个协作实验室数据准确、稳定,方法的重复性和再现性良好;激光光谱法测定的δD精密度为0.4‰(1σ),δ~(18)O精密度为0.05‰(1σ),与传统稳定同位素质谱的精度几乎一致,因此适用于常规水样中δD、δ~(18)O测定,可以开展野外在线实时检测水中氢氧同位素组成。本研究为开展制定激光同位素光谱法测定环境液态水中δD、δ~(18)O同位素组成标准方法的工作推广和应用提供了参考。     

细菌反硝化法同时分析天然水中硝酸盐氮、氧同位素组成研究

细菌反硝化法是目前同时分析天然水中硝酸盐氮、氧同位素组成的最新方法。该方法包括反硝化菌的选取与培养,利用反硝化菌将硝酸根完全转化成N2O气体以及N2O气体的提取、纯化和同位素测定。该方法采用硝酸盐标准,对测试结果需进行试剂本底、同位素分馏、同位素交换校正。与传统方法相比,细菌反硝化法可同时分析低浓度微量水中硝酸盐的氮、氧同位素组成,且速度更快捷,结果更可靠。     

贵阳雨水无机氮沉降的氮、氧同位素特征

雨水中氮沉降主要以铵盐(NH+4)和硝酸盐(NO-3)形式存在,这与地表生态氮循环和酸雨等环境问题直接相连.我们测定了贵阳地区雨水中的NH+4和NO-3的氮氧同位素值,讨论了氮素形态分布及其同位素组成特征,探讨了雨水中溶解无机氮的成因.雨水中的NH+4和NO-3平均值分别为0.81和o.51mg N/L;铵盐的δ15N平均值为-4.7‰,较硝酸盐的δ15N平均值负,雨水中硝酸盐δ18O值为25.2‰～40.1‰,平均值为34.2±4.3‰,季节性差别不显著.     

地下水NO3-氮与氧同位素研究进展

人为活动通常是地下水硝酸盐污染的主要原因.不同来源的NO3-具有不同的氮、氧同位素组成,利用地下水NO3-中的δ15N和δ18O值可有效识别地下水硝酸盐污染的来源.引起地下水中NO3-含量显著减少的不同物理、化学和生物过程,所产生的氮、氧同位素分馏效应有明显差别.地下水系统中反硝化作用发生时,NO3-中氮和氧同位素分馏系数呈一定比例.因此NO3-中δ15N和δ18O值也是示踪地下水硝酸盐循环,尤其是反硝化作用的有效手段.利用NO3-中氮和氧双同位素,并与其他环境同位素及化学分析技术相结合,示踪NO3-来源及其循环是地下水硝酸盐污染研究的重要方向之一.综述了利用地下水硝酸盐中氮和氧同位素识别NO3-污染源与循环的研究进展,简述了近年迅速发展的阴离子交换树脂取样法,概述了此方面研究存在的主要问题,并展望了今后的研究方向.     

氮氧同位素在河流硝酸盐研究中的应用

多年来，世界各地河流普遍存在硝酸盐污染问题。为控制河流的硝酸盐污染，确定河水中硝酸盐的来源以及研究氮的循环过程就显得尤为重要。由于在不同成因下，硝酸盐的δ¹⁵N和δ¹⁸O存在着较大差异，因此利用氮、氧同位素方法研究河流硝酸盐问题正日益受到国内外研究人员的重视。综述了用硝酸盐中氮、氧同位素来研究河流硝酸盐的不同来源(大气沉降、化肥、牲畜粪、土壤硝酸盐等)和示踪其地球化学循环过程，特别是反硝化过程，这两方面的研究进展，并对我国河流硝酸盐研究现状进行了讨论及提出今后的研究方向。      

硫酸盐的氧同位素测量方法

硫酸盐不仅是常见矿物,还是自然界少数几个具有氧同位素非质量分馏效应的矿物之一。硫酸盐矿物的氧同位素组成,特别是硫酸盐的氧同位素非质量分馏效应,可以为研究其形成过程和条件提供大碹有用信息,揭示一些元素浓度甚至单个同位素比值测量无法获得的特殊作用过程。但由于硫酸盐的氧同位素分析技术难度大,这一方法在国内尚未建立起来。论文介绍了BrF5法测量硫酸盐氧同位素组成的实验装置、分析流程和测量结果。该方法是目前唯一可以同时测量硫酸盐^17O／^16O和^18O／^16O比值的方法。对BaSO4国际氧同位素标准样品NBS-127和一种BaSO4化学试剂进行了多次重复测量。测量的NBS-127国际标样的δ^18Ov-SMOW=（9．20±0．11）‰,与标准值完全一致;BaSO4化学试剂的δ^18Ov-SMOW=（14．64±0．13）‰。分析精度（标准偏差）达到0．13％。（1σ）,优于国外（0．15～0．29）‰（1σ）的水平     

地下水NO3^-氮与氧同位素研究进展

人为活动通常是地下水硝酸盐污染的主要原因。不同来源的NO3^-具有不同的氮、氧同位素组成,利用地下水NO3^-中的δ15N和δ18O值可有效识别地下水硝酸盐污染的来源。引起地下水中NO3^-含量显著减少的不同物理、化学和生物过程,所产生的氮、氧同位素分馏效应有明显差别。地下水系统中反硝化作用发生时,NO3^-中氮和氧同位素分馏系数呈一定比例。因此NO3^-中δ15N和δ18O值也是示踪地下水硝酸盐循环,尤其是反硝化作用的有效手段。利用NO3^-中氮和氧双同位素,并与其他环境同位素及化学分析技术相结合,示踪NO3^-来源及其循环是地下水硝酸盐污染研究的重要方向之一。综述了利用地下水硝酸盐中氮和氧同位素识别NO3^-污染源与循环的研究进展,简述了近年迅速发展的阴离子交换树脂取样法,概述了此方面研究存在的主要问题,并展望了今后的研究方向。     

贵阳地下水硝酸盐氧同位素特征及应用

利用硝酸盐氮氧同位素讨论地下水硝酸盐来源和转化是地下水硝酸盐研究的热点之一。本研究利用燃烧管法测试了贵阳地下水、部分地表水,以及雨水中硝酸盐氧同位素,结果表明地下水中硝酸盐δ18O冬季平均值为+ 12. 6‰± 5. 6 (n= 17) ,夏季为+ 11. 1‰± 4. 8(n= 22)。结合氮同位素揭示了贵阳市地下水硝酸盐污染来源的季节性转化,郊区地下水夏季主要受硝态氮肥等影响,而市区地下水受人为排污影响严重。      

贵阳地区夏季雨水硫和氮同位素地球化学特征

对贵阳地区小雨和暴雨硫和氮同位素组成特征进行了研究。小雨中硫酸盐δ34S值和硝酸盐δ15N值分别为-7.96‰～+0.73‰(平均-4.90‰)和-3.77‰～+8.49‰(平均+2.00‰),暴雨中则分别为-2.07‰～+18.32‰(平均+4.59‰)和-2.91‰～+10.10‰(平均+4.10‰),表明两种类型雨水中硫酸盐和硝酸盐来源不同。小雨硫酸盐的负δ34S值与当地硫来源(煤炭燃烧和生物成因硫)有关,而暴雨硫酸盐的正δ34S值则为海源(太平洋)结果。小雨硝酸盐的δ15N值范围较宽(-3.77‰～+8.49‰),其来源不清,但该范围内较高δ15N值的样品(>+6.0‰)可能与干沉降和火力发电厂废气有关。暴雨硝酸盐的δ15N值仍然反映海源(太平洋)。小雨铵盐的δ15N值与铵盐含量有较好的相关关系(R2=0.92)。小雨铵盐中低δ15N值的样品(-1.73‰～-22.01‰)与云水(-28.6‰)对15N较少的吸收有关。贵阳地区较高的铵盐含量(平均1.25mg/L)和较低的δ15N值(平均-12.18‰±6.68‰)表明,铵盐来源于农业肥料的大范围施用和土壤NH3的挥发。     

水环境硝酸盐氮污染研究新方法——15N和18O相关法

最近40年，硝酸盐已成为一个共同的地下水污染物。使用CaO定量地除云CO2和H2O的新的焊封管燃烧法分析了NO3^-中的氮同位素比值。应用AgNO3 C的新的焊封管燃烧法进行了NO3^-中氧同位素分析。安阳和林县饮用水中广泛的NO3^-N污染大大超过饮用标准是一个主要问题。食管癌的死亡率与饮用水中NO3^-、NO2^-、NH4^ 和亚硝胺过剩的含量成正比。δ（^15N)和δ（^18O)研究资料指出，在这个地区饮用水中的NO3^-主要来自农家肥和化肥。地下水NO3^-的δ(^18O)明确地指出，在这个地区不存在有意义的反硝化作用发生。相反，由NH4^ 到NO3^-的需氧硝化作用可导致NO3^-中的氧1／3来自空气，2／3来自水。     

微量水δ(~(17)O)和δ(~(18)O)CoF_3法线外同时测试新技术

三氧同位素(16O、17O、18O)组成特征可有效示踪天然水循环及其环境效应,微量水δ(17O)和δ(18O)CoF3法同时测试新技术的建立,可为三氧同位素定量研究提供有效的分析手段,特别是能够捕捉到像光合作用、呼吸作用等生物过程中发生的同位素分馏现象。在国内首次建立了微量水δ(17O)和δ(18O)CoF3法线外同时测试新技术,样品量仅需2μL,整个制样时间约40min。采用在质谱测试前对待测样品在100℃下预热10 min,待O2完全解吸后再进行质谱测试的方法,避免了制样和测试过程中的记忆效应及分馏效应,δ(17O)和δ(18O)的分析精度分别达到±0.07‰和±0.14‰。该法使用固体试剂CoF3替代了剧毒的气态氟化物BrF5,使得制样流程更加安全可靠且样品量少,适用性强,具有很大的推广应用价值。     

GasBench Ⅱ-IRMS水平衡氢氧同位素分析方法研究

考察了参考气信号强度、样品水体积和水平衡时间对水平衡氢、氧同位素组成分析的影响,建立了GasBench Ⅱ-IRMS连续流稳定同位素质谱仪、CO2-H2O平衡在线连续分析水样中氧同位素组成、疏水铂催化H2-H2O平衡在线连续分析水样中氢同位素组成的分析方法。分析实验室和标准水样,测量值在误差允许范围内与推荐值一致;实验室水标准氢同位素组成分析精度(1σ)为1‰,氧同位素组成分析精度(1σ)为0.1‰。方法能减少样品的损失,提高分析速度和稳定性。     

不纯碳酸盐碳氧同位素组成的在线分析

利用 GV IsoPrime(R)Ⅱ型稳定同位素质谱仪测量不纯碳酸盐样品的碳氧同位素组成,这些样品是用国家碳酸盐碳氧同位素一级标准物质 GBW04406与去除了碳酸盐的沉积物混合配制而成的, CaCO3含量在 2%～ 90%之间.结果显示 ,δ 13C内部精度为 0.002‰～ 0.005‰ (1σ ),δ 18O内部精度为 0.003‰～ 0.009‰ (1σ ),与测量所得的纯 CaCO3国际国内标准物质结果的内部精度范围一致,且外部精度达到仪器的指标要求,同时 ,不同 CaCO3含量样品的δ 13C和δ 18O的测量值 (测量平均值:δ 13C =-10.932‰± 0.021‰,δ 18O=-12.483‰± 0.054‰; 1σ )也在误差允许范围之内与 GBW04406推荐值 (δ 13C=-10.85‰± 0.05‰, δ 18O =-12.40‰± 0.15‰ ; 1σ )一致.可见碳酸盐的含量并不影响其碳氧同位素组成的分析结果,所以在线分析不纯碳酸盐的碳氧同位素组成是可行的,在线分析不纯碳酸盐样品的碳氧同位素组成之前应先对样品中碳酸盐含量进行大致估计,根据碳酸盐含量高低来确定样品用量以达到最佳分析效果.     

桂林甑皮岩岩溶地下水硝酸盐来源与转化

峰林平原是人类活动和居住的密集区，也是岩溶地下水系统的主要径流、排泄地段，地下水资源丰富。随着城市化的发展，地下水硝酸盐污染问题日渐突出。为研究桂林甑皮岩岩溶地下水硝酸盐来源与转化，分别于2018年10月、2019年2月、3月和4月采集地下水样，利用常规水化学及氮氧同位素技术识别硝酸盐来源与转化。结果表明:甑皮岩地下水中NO3-浓度在0~19.523 mg?L-1，δ15N-NO3-和δ18O-NO3-分别在-0.17‰～45.12‰和-5.82‰~16.47‰。硝酸盐氮氧同位素数据表明，甑皮岩地下水硝酸盐来源主要为粪便及污废水，少量来自降雨中的NH4+和土壤有机氮。受岩溶介质不均一性的控制，甑皮岩地下水中NO3-浓度、δ15N-NO3-和δ18O-NO3-均表现出明显的空间变异性。甑皮岩地下水硝酸盐的转化过程复杂，受控于季节和岩溶介质不均一性，表现为旱季以反硝化为主，雨季则以硝化过程为主。厘清硝酸盐来源与转化为治理甑皮岩地下水硝酸盐污染提供一定的科学依据。      

硝酸盐氮氧同位素反硝化细菌法测试研究

进入21世纪,硝酸盐氮氧同位素测试技术的显著进展是反硝化细菌法测试技术的建立。反硝化细菌法具有可同时分析浓度低至μg/L的硝酸盐氮氧同位素组成、免去复杂的样品预处理、分析时间大大缩短以及从复杂溶液中只转化NO3-为N2O等优点。实验过程由细菌挑选和培养、样品NO3-转化为N2O、N2O提取纯化、同位素测试以及同位素测试结果校正等几个关键步骤组成。国外研究结果显示该技术不仅可用于海水和淡水中硝酸盐同位素测试,而且还可用于土壤样品,并得到不断的完善和应用;国内建立了这一技术,在包气带和地下水硝酸盐污染研究中取得重要进展。由于该技术诸多优点,建议大力促进这一技术在我国的研究和应用,希望有关部门加大支持力度,进一步完善该技术并推广应用。     

大气硝酸盐中氮氧稳定同位素研究进展

受人类活动和工农业快速发展的影响,大气硝酸盐(NO_3^-)污染越来越严重且已成为世界范围内的环境问题之一。探究大气NO_3^-的稳定同位素组成(δ15N,δ18O和Δ17O),可以为深入理解大气氮循环、有效控制大气NO_3^-污染提供有力依据。综述了目前大气NO_3^-不同来源NOx的δ15N值、NO_3^-的δ15N季节变化特征及主要影响因素,总结了大气中不同氧化剂的δ18O值和Δ17O值,归纳了全球范围内部分大气NO_3^-中δ18O值和Δ17O值的时空分布特征及可能影响因素,回顾了NO_3^-同位素分析测试技术的主要进展,在前期工作基础上提出未来大气NO_3^-稳定同位素研究应更多关注NO_3^-的氧化生成机制(不同类型氧化剂同位素组成时空差异)、不同NOx来源的δ15N组成、借助化学模型开展大气NO_3^-循环过程等方面的研究。     

有机化学物质碳氮稳定同位素系列标准物质研制

实验室和研究人员所使用的碳、氮同位素标准物质一般由国际原子能机构(IAEA)获得,然而近年来,随着碳氮同位素在实验室质量监控、方法评价、仪器校准等方面的广泛应用,市场需求量不断增加, IAEA研制的碳、氮同位素标准物质的种类与数量逐渐不能满足科学研究快速发展的需求。我国急需研制适应当今分析技术水平的有机质碳氮同位素国家标准物质用以进行质量监控、方法评价、仪器校准。为保证量值传递精度,本文研制了4个有机化学物质的碳氮稳定同位素标准物质,其中3个为尿素样品,1个为L-谷氨酸。经检验4种标准物质的均匀性通过F值检验,标准物质的δ~(13)C和δ~(15)N值经过一年的稳定性检验,特征量值变化在测量方法允许的不确定度范围内,由此判定δ~(13)C和δ~(15)N值稳定性良好。由包括研制单位实验室在内的12家实验室协同定值,采用高温燃烧-气体同位素质谱法测定了δ~(13)C和δ~(15)N值,系列标准物质δ~(13)C和δ~(15)N认定值区间呈梯度分布,δ~(13)C值为-40‰～0‰,δ~(15)N值为-10‰～30‰,涵盖了我国天然样品中有机质碳氮稳定同位素组成范围;研制的系列标准物质δ~(13)C的定值扩展不确定度不大于0.08‰,δ~(15)N的定值扩展不确定度不大于0.09‰,定值水平与国际标准物质相当。该系列标准物质已被国家质检总局批准为国家一级标准物质,批准号为GBW04494～GBW04497。可被用于地质、生态、环境等多种样品δ~(13)C和δ~(15)N比值测定时的分析监控、仪器校准、方法评价、质量保证和质量监控。