营养盐来源跟踪 – 水中硝酸盐

硝酸盐是一种天然存在的离子,在中心氮原子周围有3个氧原子。硝酸盐是由细菌固氮形成的,存在于土壤、废水和地表水中。硝酸盐也可以由人工的商业规模生产,可以在腌制肉类时用作防腐剂,由于其高溶解性和生物降解性,还可以作为肥料中其他营养素的载体。

BETA实验室硝酸盐测试服务

ISO 17025认证的BETA实验室提供硝酸盐浓度测试和稳定同位素测试,可用于帮助分析环境中硝酸盐的来源。

硝酸盐样品首先被还原制备成一氧化二氮,然后连续流动至同位素质谱仪进行测试 (Casciotti et al., 2002; Foreman et al., 2016; and Altabet and Wassenaar, 2017). 同位素比值数据报告为δ值,单位为千分之几 (‰) (Coplen, 2011)。

氮同位素比值的参考标准是空气中的氮气 (Mariotti, 1983) ,氧同位素比值是参考标准是VSMOW标准水样,以此规范化表示如 δ18OSLAP = -55.5‰ (Coplen, 1994; IAEA, 2017)。

测试结果以投点的形式绘制在一个坐标图中,坐标图中有不同同位素值组成(δ18O and δ15N)所代表的各种硝酸盐来源分布范围(Kendall et al, 2007; Hastings et al., 2013)。

nitrogen isotopes plot

来源

硝酸盐离子含有不同的氧和氮同位素,最常见的是氧-16和氮-14,罕见的是氧-18和氮-15。因为硝酸盐可以由天然形成或人工生产,所以硝酸盐离子的质量是不同的。

这种差异以delta值表示,并与国际公认的标准进行比较。
例如: 

变化

自然界中的硝酸盐离子可能会发生变化,例如通过反硝化作用,细菌利用NO3-的过程。在反硝化过程中,微生物优先利用含氮-14和含氧-16的硝酸盐离子,留下富含氧-18和氮-15同位素的剩余硝酸盐。而硝化作用正好相反。

影响因素

来源、氧的利用率、酸碱度和土地利用率都与硝酸盐的同位素值有关,在分析同位素数据时这些因素都应考虑在内。硝酸盐稳定同位素测试是了解硝酸盐离子来源及其所经历变化过程的有用工具。

ISO 17025认证的BETA实验室提供使用同位素质谱仪(IRMS)测试水中硝酸盐氧和氮同位素测试。测试可在14个工作日内完成。

为什么过量的硝酸盐是一个问题?

在过去的一个世纪里,天然和人造硝酸盐肥料的过度使用导致表层土壤中含有大量的硝酸盐,然后又渗透进入地下水中。饮用水中高浓度硝酸盐可能有毒(10毫克/升或更高的EPA,2018年),造成高铁血红蛋白血症从而使血液缺氧。

此外,地表水中高浓度的硝酸盐会导致藻类的过度生长。水体中的藻华阻挡阳光,会在水体中形成缺氧区(极低的溶解氧浓度),对海洋生物的生存环境造成严重的影响。水体富营养化会对海洋和渔业产生巨大的负面影响。


参考文献:

Altabet, M.A. and L. I. Wassenaar. New Chemical methods for the precise determination of nitrate isotopic composition Presented at Chemical Oceanography at the 86th annual Gordon Research Conference; 2017 July, 23-28; Colby-Sawyer College, New London, NH.

Aravena, R., Evans, M. L., & Cherry, J. A. (1993). Stable isotopes of oxygen and nitrogen in source identification of nitrate from septic systems. Groundwater, 31(2), 180-186.

Casciotti, K. L., Sigman, D. M., Hastings, M. G., Böhlke, J. K., & Hilkert, A. (2002). Measurement of the oxygen isotopic composition of nitrate in seawater and freshwater using the denitrifier method. Anal. Chem, 74(19), 4905-4912.

Coplen, T. B., 1994. Reporting of Stable Hydrogen, Carbon, and Oxygen Isotopic Abundances, Pure and Applied Chemistry, v. 66, p. 273-276.

Coplen, T. B., 2011, Guidelines and recommended terms for expression of stable-isotope-ratio and gas-ratio measurement results. Rapid Communications in Mass Spectrometry, v. 25, 2538–2560. 

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Foreman, R. K., Segura-Noguera, M., & Karl, D. M. (2016). Validation of Ti (III) as a reducing agent in the chemiluminescent determination of nitrate and nitrite in seawater. Marine Chemistry, 186, 83- 89.

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Hosono, T., Tokunaga, T., Kagabu, M., Nakata, H., Orishikida, T., Lin, I. T., & Shimada, J. (2013). The use of δ15N and δ18O tracers with an understanding of groundwater flow dynamics for evaluating the origins and attenuation mechanisms of nitrate pollution. Water Research, 47(8), 2661-2675.

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US EPA National Primary Drinking Water Regulations