總氮含量分析方法比較及黑龍江典型淡水養(yǎng)殖池塘和自然水域總氮含量的變化

黃麗，覃東立，吳松，陳中祥，高磊，黃曉麗，王鵬

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

隨著工業(yè)化的不斷加速和人口急劇增長，攜帶大量有機(jī)物及氮等營養(yǎng)元素的工業(yè)廢水廢物、生活污水、農(nóng)業(yè)廢水排放到江河中。2004—2014年我國發(fā)生了74起主要水污染事件，其中有39起是工業(yè)廢水廢物違規(guī)排放導(dǎo)致的水體污染，2起是自然災(zāi)害間接導(dǎo)致水體污染，10起水污染導(dǎo)致魚類大量死亡，被有機(jī)物和無機(jī)物污染，水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化，危害人類身體健康。氮是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)元素之一，水體中總氮（total nitrogen，TN）含量反映水質(zhì)污染程度，是評價水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)?？偟渴窃跇?biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下，待測水樣中溶解態(tài)氮及懸浮物中氮的總和，包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、無機(jī)銨鹽、溶解態(tài)氮及大部分有機(jī)含氮化合物中的氮含量[1]。

目前TN含量檢測方法有堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（國標(biāo)法）、高溫氧化-化學(xué)發(fā)光檢測法[2]、過硫酸鉀氧化-離子色譜法[3]、微波消解-電極法[4]、在線消解流動注射分光光度法[5]。國標(biāo)法測TN含量是將水樣進(jìn)行高壓消解預(yù)處理，檢測成本低，但是操作費(fèi)時、繁瑣，壓力滅菌鍋使用存在安全隱患，實(shí)驗(yàn)用水、氧化劑純度[6]、實(shí)驗(yàn)條件等因素會導(dǎo)致系統(tǒng)誤差，紫外檢測器雙波長掃描重現(xiàn)性較差。這些均影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，不適用于大批量樣品的測試[7-9]。

本研究采用德國耶拿儀器有限公司Multi N/C 2100S型總有機(jī)碳氮分析儀。該儀器具有高溫催化，最高可達(dá)1 000℃，采用最好的CeO催化劑，耐用且催化效果好，可以用Pt和CuO等催化劑；VITA專利技術(shù)可以平衡氣流波動引起的系統(tǒng)誤差，保證測量的重現(xiàn)性；TN檢出限可達(dá)50 mg/L，一次進(jìn)樣同時出結(jié)果，滿足絕大多數(shù)分析要求；可耐85g/L以下高鹽含量樣品；可通過不同進(jìn)樣體積繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，減少系統(tǒng)誤差[10]。該儀器測TN含量不需對水樣進(jìn)行預(yù)處理，微量進(jìn)樣，試劑消耗少，人為因素影響小，有利于提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以同步測定TN和TOC，應(yīng)用范圍廣泛[11-15]，自動化程度高，分析速度快，提高檢測效率，但是儀器價格昂貴，用途單一，儀器對水的要求很高[16]。

松花江是中國北方最重要的地表水資源，林蘭鈺等[17]研究了2001—2015年松花江流域水污染變化特征發(fā)現(xiàn)，無機(jī)氮（氨氮）污染在逐漸加大，而生活飲用、水產(chǎn)養(yǎng)殖和工農(nóng)業(yè)用水等多來源于松花江水。本研究建立總氮分析方法，并監(jiān)測了不同時間松花江各點(diǎn)、典型的淡水養(yǎng)殖池塘（賓縣1#池～3#池）、稻田和白魚泡水體中TN含量的變化特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

堿性過硫酸鉀（K2S2O8）：稱取40.0g過硫酸鉀溶于600mL水中，另取15.0g氫氧化鈉溶于300mL水中。待氫氧化鈉溶液溫度冷卻至室溫后，混合兩種溶液，定容至1 000mL，存放于聚乙烯瓶中，可保存一年；硫酸溶液：V+V=1+35；鹽酸溶液：V+V=1+9；有證總氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液1 000mg/L（貨號為N117895）；總氮標(biāo)準(zhǔn)使用液：適當(dāng)體積總氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋至10mg/L。

U4100紫外-可見分光光度計(jì)（日本日立公司）；LD2X-75KBS立式壓力蒸汽滅菌器（上海申安醫(yī)療器械廠）；Multi N/C 2100S總有機(jī)碳氮分析儀（德國耶拿）；BT2202S電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 方法與原理

1.2.1 采樣方法

利用水樣采集器，五點(diǎn)采樣法采集松花江、典型的淡水養(yǎng)殖池塘（賓縣1#池～3#池），和白魚泡水樣，用大燒杯采集稻田不同點(diǎn)位水樣并混合均勻，存放于聚乙烯瓶中，及時帶回實(shí)驗(yàn)室當(dāng)天測定。

1.2.2 國標(biāo)法測TN原理

在120～124℃下，堿性過硫酸鉀溶液使樣品中含氮化合物的氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，用紫外分光光度計(jì)在220nm和275nm處，分別測定吸光度A220和A275，按公式（1）計(jì)算校正吸光度A，總氮（以N計(jì)）含量與校正吸光度A成正比[1]。

1.2.3 高溫催化氧化-電化學(xué)檢測法測TN原理

樣品注入高溫燃燒反應(yīng)器（爐溫750℃）中，通入純氧氣和催化劑時，總氮分解為一氧化氮，用電化學(xué)檢測器檢測轉(zhuǎn)化的一氧化氮的含量，從而測定樣品中總氮的濃度[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用兩種儀器進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分別對2016年9月初采集的實(shí)際樣品，平行測定3次，計(jì)算F值和t值，以驗(yàn)證兩種測試方法測定結(jié)果的顯著性。用格魯布斯法（T）和Q檢驗(yàn)法（Q）[19]檢驗(yàn)各批次樣品間是否有異常值。

利用Excel軟件進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，用OriginPro8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 處理方法

2.1.1 國標(biāo)法測TN樣品處理方法

分別取 0.00mL、0.20mL、0.50mL、1.00mL、3.00mL、5.00mL和7.00mL總氮標(biāo)準(zhǔn)使用液于25mL具塞磨口玻璃比色管中，其對應(yīng)總氮含量分別為0.00μg、2.00μg、5.00μg、10.0μg、30.0μg、50.0μg和 70.0μg，加水稀釋至10.00mL，再加5mL堿性過硫酸鉀溶液，用紗布和線繩扎緊管塞，以防彈出。將比色管置于高壓蒸汽滅菌鍋中，加熱至定壓閥，吹氣，關(guān)閥，繼續(xù)加熱至120℃，保持45min，自然冷卻2～2.5h。每個比色管加入1.0mL鹽酸溶液，用水稀釋至25mL，蓋塞混勻。用10mm石英比色皿，在紫外分光光度計(jì)上，以水做參比，分別于波長220nm和275nm處測定吸光度。零濃度的校正吸光度Ab、其他標(biāo)準(zhǔn)系列的校正吸光度 As及其差值 Ar按公式（2）、（3）和（4）進(jìn)行計(jì)算。以總氮（以N計(jì)）含量（μg）為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的Ar值為縱坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。

式中：Ab，零濃度（空白）溶液的校正吸光度；Ab220，零濃度（空白）溶液于波長220nm處的吸光度；Ab275，零濃度（空白）溶液于波長275nm處的吸光度；As，標(biāo)準(zhǔn)溶液的校正吸光度；As220，標(biāo)準(zhǔn)溶液于波長220nm處的吸光度；As275，標(biāo)準(zhǔn)溶液于波長275nm處的吸光度；Ar，標(biāo)準(zhǔn)溶液的校正吸光度與零濃度（空白）溶液校正吸光度的差。

各取10.00mL試樣和空白水樣于25mL具塞磨口玻璃比色管中，按照上述步驟進(jìn)行測定。按公式（5）計(jì)算：

式中：ρ，樣品中總氮的質(zhì)量濃度，mg/L；Ar，試樣的校正吸光度與空白試驗(yàn)校正吸光度的差值；a，校準(zhǔn)曲線的截距；b，校準(zhǔn)曲線的斜率；V，試樣體積，mL；f，稀釋倍數(shù)。

2.1.2 高溫催化氧化-電化學(xué)檢測法測TN處理方法

配制成總氮濃度分別為 0μg/mL、0.20μg/mL、0.50μg/mL、1.00μg/mL、3.00μg/mL 和 7.00μg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)系列濃度，然后進(jìn)行測定。以標(biāo)準(zhǔn)系列溶液濃度對應(yīng)儀器響應(yīng)值，繪制總氮校準(zhǔn)曲線。

2.2 儀器條件

紫外可見分光光度計(jì)波長為220nm和275nm，比色皿10mm。

Multi N/C 2100S總有機(jī)碳氮分析：氧氣壓力0.2～0.4MPa，進(jìn)樣體積 300μL，根據(jù)待測試樣性質(zhì)選擇最大吹掃時間120s，積分時間200s，調(diào)節(jié)自動進(jìn)樣器的進(jìn)樣位置和深度，進(jìn)出流量保持在（160±2）mL/min，垂直爐爐溫750℃。

2.3 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

兩個儀器測TN標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1和圖2所示。紫外可見分光光度計(jì)和總有機(jī)碳總氮分析儀測定TN時，紫外可見分光光度法和高溫催化氧化-電化學(xué)檢測法測量范圍均為0.2～7.0μg/mL。線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.999，說明兩個儀器均符合國標(biāo)的要求。

圖1 紫外可見分光光度計(jì)測定標(biāo)準(zhǔn)工作液TN含量結(jié)果Fig.1 The results of standard working liquid TN contents by ultraviolet visible spectrophotometric determination

圖2 總有機(jī)碳總氮分析儀測定標(biāo)準(zhǔn)工作液TN含量結(jié)果Fig.2 The results of standard working liquid TN contents by a total organic carbon nitrogen analyzer

2.4 方法準(zhǔn)確度和精密度

用兩種儀器對有證標(biāo)準(zhǔn)樣品（貨號為N117895，批號為B1619117）進(jìn)行的測定分析和加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

結(jié)果表明：兩種儀器檢測結(jié)果平行性較好，測定結(jié)果均在真值范圍內(nèi)，樣品測定結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.82%和0.72%，均小于5%；樣品測定結(jié)果相對誤差分別為3.5%和4.1%，均小于5%。說明兩種儀器的準(zhǔn)確度和精密度都很好。

2.5 加標(biāo)回收率

由表1可知，紫外法和高溫催化氧化法加標(biāo)回收率分別為100%和99.4%，滿足水質(zhì)分析技術(shù)規(guī)定，符合國標(biāo)法測TN含量的要求。

2.6 準(zhǔn)確度和精密度

2.6.1 F檢驗(yàn)

用兩種方法測定2016年9月樣品的準(zhǔn)確度和精密度，結(jié)果 α=0.25時，F(xiàn)（3）=9.28，各組的 F 值都小于F（3）=9.28，表明兩種儀器檢測結(jié)果精密度不存在系統(tǒng)誤差（表2）。

2.6.2 t檢驗(yàn)

α=0.05，t 0.05（4）=2.78。計(jì)算結(jié)果表明，各組的t檢驗(yàn)值都小于t 0.05（4）=2.78，表明兩種儀器檢測結(jié)果準(zhǔn)確度不存在系統(tǒng)誤差。

紫外-可見分光光度計(jì)和Multi N/C 2100S總有機(jī)碳氮分析儀的精密度和準(zhǔn)確度不存在系統(tǒng)誤差。兩種方法測定結(jié)果無顯著性差異。在測定批量樣品時考慮經(jīng)濟(jì)成本可以選擇紫外法，考慮時效性和安全性可以選擇高溫催化氧化法。

2.7 各取樣點(diǎn)水體中TN含量變化趨勢分析

高溫催化氧化法分析2016年5月上旬、7月中旬、8月初、9月初和11月初5個采樣時間點(diǎn)水體及底泥中TN含量變化如表3。用格魯布斯法（T）和Q檢驗(yàn)法（Q）檢驗(yàn)[19]對結(jié)果進(jìn)行是否有異常值，并分析原因。

表1 總氮標(biāo)準(zhǔn)樣品質(zhì)量濃度的測定（mg/L）Tab.1 Determination of the mass concentrations of total nitrogen standard samples（mg/L）

表2 2016年9月不同地點(diǎn)水樣中TN含量的監(jiān)測結(jié)果（mg/L）Tab.2 Monitoring results（mg/L）of TN levels in the water samples collected at different areas in September 2016

表3 用高溫催化氧化法比較TN含量隨時間變化（mg/L）Tab.3 The comparison of changes in TN content（mg/L）with time by high temperature catalytic oxidation

α=0.05，T（0.05,4）=1.46；查 Q 表得 Q（0.99）=0.93。由表3可知，5個月4次采樣監(jiān)測中，1#～3#池和白魚泡水體中TN含量最高值的格魯布斯檢驗(yàn)值和Q檢驗(yàn)值均低于 T（0.05,4）=1.46 和 Q（0.99）=0.93，結(jié)果中沒有可疑值；在這5個月內(nèi)，白魚泡水體中TN含量無明顯變化；1#池和3#池TN含量逐月升高，這與馬瑞寧[20]研究南寧淡水混養(yǎng)池塘水質(zhì)TN含量變化趨勢相近，1#池～3#池9月TN含量均最高；稻田5月份水樣TN含量最高值的T＞T（0.05,4）=1.46、Q＞Q（0.99）=0.93，說明該值較其他月份測得值可疑，明顯高于7—9月份；7月松花江水樣格魯布斯檢驗(yàn)和Q檢驗(yàn)分析的T＞T（0.05,4）=1.46、Q＞Q（0.99）=0.93，兩種檢驗(yàn)結(jié)果表明：7月水樣TN含量較其他月份的差異較大。

3 討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫催化氧化法與國標(biāo)法測定水中TN具有相近的準(zhǔn)確度和精密度，可實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)TN含量的準(zhǔn)確、靈敏、快速測定，提高了工作效率；測量范圍廣，適用于多種水質(zhì)、不同濃度TN的測定。

2016年5—9月監(jiān)測黑龍江賓縣某典型淡水養(yǎng)殖池塘池塘及其他自然水體中TN含量變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：9月份是池塘養(yǎng)殖高峰期[21]，魚類個體長大，受養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖模式、天氣、投餌量、施肥量及周邊農(nóng)作物施藥量的影響[22]池塘水體出現(xiàn)TN含量偏高的現(xiàn)象；白魚泡水源來自于周邊坡耕地雨水匯集而成，流動性強(qiáng)，人為活動少，因此監(jiān)測期間水體中TN含量無明顯變化；5月是水稻生長的分蘗期，施用農(nóng)藥促生產(chǎn)，其TN含量初期明顯偏高，顯高于其他月份，隨后N源被微生物分解利用，逐漸降低；7月松花江水中TN檢出值略高于其他月份，該月份TN含量高可能是松花江水域魚類生長迅速，排泄糞便和尿液，使氨氮和亞硝酸氮等氮源升高，7月溫度升高會降低水體中溶解氧含量[23]，使水生動物缺氧而死亡[24]，尸體腐敗變質(zhì)，惡化水質(zhì)，7月為雨季，周圍河流（馬家溝河）強(qiáng)降雨使河道內(nèi)長期留存的污染物隨徑流進(jìn)入松花江[25]，其他原因還有待進(jìn)一步分析。