盐酸浸取-次溴酸盐氧化法测定海洋沉积物中的氨氮_李学刚.pdf

2011 年 10 月 October 2011 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 30，No． 5 550 ～554 收稿日期 2010 －12 －17;接受日期 2011 －03 －04 基金项目海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室开放基金 MASEG200606 ;国家基金委“创新研究群体科学基金” 40821004 ;国家重点基础研究发展计划 973 计划 项目 2007CB407305 作者简介李学刚， 副研究员， 主要从事海洋化学研究。E- maillixuegang qdio． ac． cn。 通讯作者宋金明， 研究员， 主要从事海洋化学研究。E- mailjmsong ms． qdio． ac． cn。 文章编号 02545357 2011 05055005 盐酸浸取 － 次溴酸盐氧化法测定海洋沉积物中的氨氮 李学刚，宋金明*，袁华茂，李宁 中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室，山东 青岛266071 摘要氨氮是海洋沉积物中氮的最主要存在形式之一， 是海洋沉积物 － 海水界面间物质交换最为活跃的部分。 当前通常利用 NaCl、 MgCl2或 KCl 等中性溶剂浸取沉积物中氨氮的方法， 仅仅是测定其中的部分氨氮。本文先用 0． 1 mol/L 盐酸将沉积物中的氨氮较为充分地浸取出来， 然后用次溴酸盐氧化法测定氨氮。在大量实验的基础 上， 确定了最佳分析条件， 包括次溴酸溶液的碱度及其浓度、 显色剂磺胺的用量和显色酸度， 获得了较高的精密度 和准确度。确立的方法可以较为全面地提取出沉积物中的氨氮， 适用于海洋沉积物中氨氮的测定。 关键词氨氮;海洋沉积物;盐酸浸取;次溴酸盐氧化法 Determination of Ammonia- Nitrogen in Marine Sediments by Hypo- bromate Oxidation with Hydrochloric Acid Extraction LI Xue- gang，SONG Jin- ming*，YUAN Hua- mao，LI Ning Key Laboratory of Marine Geology and Environmental Sciences，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Science，Qingdao266071，China AbstractAmmonia- N is one of the important compositions of marine sediment and the most active component at the sediment- water interface． The routine uses NaCl，MgCl or KCl and other neutral solvents as extractants． However， only part of ammonia- N in sediments can be determined by this ． A new to determine ammonia- N in sediment is presented in this paper． Ammonia- N in sediment was extracted by the 0． 1 mol/L HCl， then determined by hypo- bromate oxidation． Based on a large number of experiments，the optimal measurement conditions were selected， which included hypo- bromic acid concentration，NaOH concentration in hypo- bromic acid solution，acidity for chromogenic reaction and dosage for sulfanilamide． Almost all of the ammonia- N in marine sediments can be extracted by this new with better precision and accuracy than alternative s． Key wordsammonia- nitrogen;marine sediments;hydrochloric acid extraction;hypobromite oxidation 氮的存在形态直接影响其参与海洋生物地球化学 循环的进程和途径， 以及对氮循环的贡献大小， 因此， 对氮形态的研究是研究沉积物中氮的生物地球化学循 环的前提。海洋沉积物中氮的存在形态可分为无机氮 和有机氮， 而无机氮又可分为 NH 4 － N、 NO － 3 － N、 NO － 2 － N。一般来说， 沉积物中的无机氮在沉积物与 上覆水体物质交换过程中最活跃， 而有机氮与沉积物 中无机氮和海水中的无机氮有着密切的关系［1 －2 ］。 055 ChaoXing 沉积物中的有机氮经过一系列的矿化作用过程转 化为无机形态， 而最终通过沉积物 － 海水界面交换参 与氮的生物地球化学循环 ［3 －11 ］。在气候温和的浅海 海域， 沉积物 － 海水界面间溶解无机氮的交换通量可 提供浮游植物生长所需氮的 30 ～ 80［12 ］。在法国 Lion 海湾， 每年从沉积物中释放的溶解无机氮可达 Rhne 河流输入氮的 20 ～34， 能提供该海湾初级 生产力所需氮的 4 ～8， 对初级生产力具有补充和 调节作用 ［13 ］。中国渤海沉积物中的氮能提供初级生 产力 所 需 氮 的 26． 7，对 初 级 生 产 力 具 有 重 要 贡献 ［14 ］。 作为最主要的氮的存在形式之一， 氨氮在海洋生 态系统中起着双重作用。一方面， 氨氮是海洋浮游植 物生长的最主要氮源。在浮游植物可利用的各种氮形 式中， 氨氮是最优先利用的形式， 水体中氨氮含量不足 会限制浮游植物生长; 另一方面， 水体中氨氮含量过高 则会对水体中的生物产生毒害作用［15 －18 ］。根据王文 琪等 ［19 ］的研究， 当水体中氨氮含量达到 13． 49 mg/L 时， 可引起菲律宾蛤仔在24 h 内死亡5， 当水体中氨 氮含量更高时， 菲律宾蛤仔的死亡率更高。因此， 对生 态系统中氨氮含量的监测一直是近年来海洋环境监测 的重点。如何更快、 更准确地测定生态系统中的氨氮 是海洋环境监测方法研究的热点。 当前对海洋生态系统中氨氮的研究大多集中于水 体环境 ［20 －21 ］， 这是因为水体中氨氮的测定方法比较成 熟， 而对作为水体中重要源与汇的沉积物中的氨氮研 究并不深入， 其中一个重要的原因是测定沉积物中氨 氮的方法很不完善。目前， 对沉积物中氮的测定最多 的是总氮。而沉积物中的氮包括无机氮和有机氮， 虽 然沉积物中的无机氮 NH 4 － N、 NO － 3 － N、 NO － 2 － N 仅占总氮的一部分 绝大多数海域 ＜50 ， 但由于沉 积物与上覆水体物质交换过程中最活跃的氮就是这部 分无机氮， 沉积物中的无机氮和海水中的无机氮有着 密切的关系 ［22 －23 ］。如果仅研究沉积物中总氮将无法 突出无机氮在沉积物 － 海水间氮交换的重要性， 同时 也无法弄清沉积物 － 海水间氮的交换过程。为研究沉 积物海水间氮的交换过程， 一些学者利用 NaCl、 MgCl2 或 KCl 等中性溶剂浸取沉积物， 以获得沉积物中的氨 氮， 如骆少勇等 ［24 ］用 2 mol/L KCl 溶液浸取测定沉积 物中的氨氮。本文在合适条件下用 0． 1 mol/L HCl 可 将海洋沉积物中的氨氮较为充分地浸取出来。 1实验部分 1． 1仪器和主要试剂 紫外可见分光光度计 美国 Agilent 公司 。 氨标准溶液 10． 0 mg/L， 以 N 计 。 NaOH 溶液 400 g/L 。 KBrO3－ KBr 储备溶液 含 2． 8 g/L KBrO3和 20 g/L KBr 。 NaBrO 溶液 取 1． 0 mL KBrO3－ KBr 储备溶液于 250 mL 聚乙烯瓶中， 加49 mL 水和3． 0 mL 50 体积 分数 的 HCl， 盖紧摇匀， 置于暗处。5 min 后加入 50 mL NaOH 溶液， 混匀。 磺胺溶液 2 g/L ， 盐酸萘乙二胺溶液 1． 0 g/L ， HCl 0． 1 mol/L 。 所用试剂均为分析纯， 均用无氨水配制。 1． 2测定方法 准确称取1. 000 g 在60℃下烘干的未经研磨的海 洋沉积物样品于 100 mL 塑料离心管中， 加入 25 mL 0. 1 mol/L HCl， 振荡 2 h， 在 4000 r/min 转速下离心 5 min， 然后分取 5 mL 上清液于 25 mL 比色管中， 加入 4 mL NaBrO 溶液， 混匀， 放置 30 min。再加 5 mL 磺胺 溶液并稀释至刻度， 混匀， 放置5 min。加1 mL 盐酸萘 乙二胺溶液， 混匀， 放置 15 min。在波长 543 nm 处测 量吸光度并计算氨氮的含量。 2结果与讨论 2． 1沉积物中氨氮的提取 稳定、 完全地将沉积物中的氨氮提取出来是正确 测定沉积物中氨氮的前提。沉积物中的氨氮主要是各 种形式的氨盐。理论上， 这些氨盐都可以溶于水。根 据这一原理， 许多学者用中性溶液 如 NaCl 溶液、 MgCl2溶液或 KCl 溶液 作为浸取液。结合本课题组 的前期研究工作 ［25 ］， 为验证不同溶剂对沉积物中氨氮 的提取情况， 选用 1 mol/L MgCl2溶液和 0. 1 mol/L HCl 连续浸取沉积物， 并与用0. 1 mol/L HCl 直接浸取 沉积物所获得的结果进行对比 表 1 ， 发现用中性溶 液只能将沉积物中的部分氨氮浸取出来， 而用 0. 1 mol/L HCl 可将沉积物中的氨氮较为完全浸取出来。 2． 2沉积物中氨氮的测定条件 由于沉积物浸取液的成分比较复杂， 为减少氨氮 测定过程中的干扰， 本文选择用次溴酸盐氧化法测定 沉积物的氨氮， 即在碱性介质中次溴酸盐将氨氧化为 155 第 5 期李学刚， 等 盐酸浸取 － 次溴酸盐氧化法测定海洋沉积物中的氨氮第 30 卷 ChaoXing 亚硝酸盐， 然后以重氮 － 偶氮光度法测定亚硝酸盐氮 的总量， 扣除原有亚硝酸盐氮的浓度， 得到氨氮的浓 度。并通过测定 0. 4 mg/L 或0. 6 mg/L 氨标准溶液确 定了沉积物中氨氮测定的最佳次溴酸溶液的碱度、 浓 度以及显色剂用量和显色酸度等条件。 表 1沉积物中氨氮的含量 Table 1The contents of ammonia in sediments w 氨氮 / μgg －1 样品编号 MgCl2溶液和 HCl 连续浸取 MgCl2浸取 HCl 浸取 直接用 HCl 浸取 114．72．4016．95 21．2111．212．36 32．548．1010．54 417．46．7524．01 58．144．312．46 610．93．3614．22 72．915．848．74 83．275．678．98 94．883．768．54 1034．93．8638．61 2． 2． 1次溴酸的碱度 用 NaOH 溶液调节碱度， 分别配制碱度为 5、 10、 20、 30、 40的次溴酸， 分取4 mL 加入25 mL 样品中， 氧化 30 min， 然后加入不同体积的磺胺溶液 加入量要保证显色溶液为酸性 和 1 mL 盐酸萘乙二 胺， 显色15 min 后测定溶液的吸光度。从对0. 4 mg/L 氨标准溶液的测定结果来看 图 1 ， 次溴酸中 NaOH 的含量只要超过 10 就可将样品中的氨氮较完全地 转化为 NO － 2 。 图 1次溴酸碱度的影响 Fig． 1Effect of alkalinity of hypobromic acid solution 2． 2． 2次溴酸的浓度 分取 0. 1、 0. 2、 0. 3、 0. 4、 0. 5、 0. 75、 1. 0 mL 溴酸钾 － 溴化钾储备溶液 含 KBrO32. 8 g/L， KBr 20 g/L 分别配制成 25 mL 碱度为 20 用 NaOH 调节碱度 的次溴酸。分别以此溶液为氧化剂氧化 0. 6 mg/L 氨 标准溶液， 结果见图 2。当溴酸钾 － 溴化钾混合溶液 用量超过 0. 3 mL 时， 由于形成次溴酸的浓度过高， 使 得所形成的 NO － 2进一步氧化为 NO － 3 ， 导致测定结果 偏低。 图 2次溴酸浓度的影响 Fig． 2Effect of hypobromic acid concentration 2． 2． 3显色的酸度 在所有操作相同的情况下， 仅使0. 6 mg/L 氨标准 溶液样品的显色酸度为 0. 01、 0. 05、 0. 10、 0. 20、 0. 30、 0. 40、 0. 50、 0. 60、 0. 70、 0. 80、 0. 90、 1. 00 mol/L HCl， 发 现酸度对显色的影响比较显著。随着酸度的增加， 溶 液的吸光度也不断增加， 但当溶液中 H 的浓度超过 0. 1 mol/L 时， 溶液吸光度增加的幅度不大 图 3 。 虽然如此， 在样品测定过程中应当保持测定样品和 标准溶液的酸度完全一致。 图 3显色酸度的影响 Fig. 3Effect of acidity in chromogenic reaction 2． 2． 4磺胺的用量 在所有操作相同的情况下， 仅改变显色所用磺胺 255 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 的用量， 以考察磺胺用量对测定结果的影响。在 0. 6 mg/L 氨标准溶液中加不同体积的 2 g/L 磺胺溶液， 图 4 结果表明， 当磺胺用量不足 5 mL 时对测定结果的影 响较大。应根据所配制磺胺溶液的浓度来调整添加磺 胺的体积， 以保证测定结果的准确性。 图 4磺胺用量的影响 Fig． 4Effect of sulfanilamide dosage 2． 3方法精密度和检出限 为了检验方法的精密度， 对同一份样品分别进行 12 次平行处理和测定， 对测定结果进行统计分析， 测 量结果的相对标准偏差 RSD 小于 2 见表 2 ， 表明本方法的精密度较高。该方法检出限为 0. 4 μg/kg， 与国标 GBT 123. 42007 中次溴酸盐氧化法 测定海水中铵盐的检出限相当。 表 2方法精密度 Table 2Precision tests of the 样品 w 氨氮 / μgg －1 本法分次测定值平均值 RSD/ 1 8．748．968．458．69 8．928．798．628．68 8．748．568．588．91 8．721．80 2 12．4612．2812．7112．76 12．5312．4112．3412．38 12．5712．4612．6512．26 12．481．31 3结语 本研究确立了沉积物中氨氮测定的最佳方法， 即 先用 0． 1 mol/L HCl 将沉积物中的氨氮较为全面地提 取出来， 然后用次溴酸盐氧化法测定。虽然次溴酸的 碱度、 浓度以及显色剂用量和显色酸度对测定结果有 较大影响， 但选取合适的条件可以获得较高的精密度 和准确度。 4参考文献 ［ 1］宋金明． 中国近海沉积物 － 海水界面化学［M］ ． 北京 海洋出版社， 1997 1 －222． ［ 2］宋金明． 中国近海生物地球化学［ M］ ． 济南 山东科技出 版社， 2004 1 －222． ［ 3］Li X G，Song J M，Yuan H M，Dai J C，Li N． Biogeochemical characteristics of nitrogen and phosphorus in Jiaozhou Bay sediments［ J］ ． Chinese Journal of Oceanology and Limnology， 2007， 25 2 157 －165． ［ 4］宋金明， 马红波， 李学刚， 袁华茂， 李宁． 渤海南部海域沉 积物中吸附态无机氮的地球化学特征［ J］ ． 海洋与湖沼， 2004， 35 4 315 －322． ［ 5］宋金明，李学刚，邵君波，贺志鹏，张乃星． 南黄海沉积 物中氮、 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