多种同位素追踪水体硝酸盐污染来源

吴娜娜, 钱 虹, 李亚峰, 王宇思

(1. 沈阳建筑大学 市政与环境工程学院, 辽宁 沈阳 110168; 2. 中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司, 辽宁 沈阳 110179)



多种同位素追踪水体硝酸盐污染来源

吴娜娜1, 钱 虹1, 李亚峰1, 王宇思2

(1. 沈阳建筑大学 市政与环境工程学院, 辽宁 沈阳 110168; 2. 中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司, 辽宁 沈阳 110179)

概括了同位素示踪技术的原理并总结了硝酸盐中的δ15N和δ18O的典型值域范围,阐述了多种同位素联合识别水体中硝酸盐污染来源的方法,并对该领域未来的发展方向进行了讨论与展望.

水体; 硝酸盐污染; 氮同位素; 氧同位素

水体硝酸盐污染成为越来越受关注的环境问题之一.近年来,污染物的排放越来越多,使得水体中硝酸盐的浓度不断增加[1].高浓度的硝酸盐进入人体后,被还原为亚硝酸盐,与人体血液作用,使人缺氧中毒[2].过量氮素进入水体后,会引起水体的富营养化[3](赤潮、水华等).水体自身的净化能力只能去除部分硝酸盐,而大量的硝酸盐污染物仍存在于被污染水体中[4].因此,识别水体中硝酸盐污染的来源并有效治理被污染的水体对人类健康和环境安全有至关重要的作用.水体中硝酸盐的来源及其转化存在多样性,仅用常规分析方法通常无法识别不同来源的氮污染.稳定同位素技术的建立为弥补上述不足提供了可能性.

1 同位素示踪的原理

同位素是指具有相同质子数,不同中子数的原子.自然界中许多元素都有同位素,每种同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例用丰度表示[5].下面以氮元素为例,氮元素存在2种稳定同位素,分别是14N和15N.在空气中,14N的相对丰度为99.633%,而15N的相对丰度仅占0.366%.在大气中,即使不同的地域高度,15N/14N(丰度比)是一个常数为1/272[6].因此,检测不同含氮物质氮同位素组成时,可将大气氮标准作为参考值[7].

含氮(氧)物质的同位素比值相对大小的符号用δ样品(‰,air)表示,其定义为:

式中:δ样品和δ标准分别表示样品中和标准物质中15N/14N或18O/16O的比值.

不同的含氮物质的δ15N 值存在差异,同位素示踪技术就是利用不同的δ15N值来识别硝酸盐污染的来源.然而,同位素会以不同比例在不同的物质间分配,即同位素的分馏作用[8].影响同位素的分馏的因素很多,包括酸碱度、pH值、温度、检测条件、中间产物等[9-10].

2 水体中不同来源硝酸盐氮氧同位素值域

2.1 水体中不同来源硝酸盐氮同位素值域

随着对同位素识别硝酸盐污染的研究不断深入,不同硝酸盐污染源的氮同位素值域范围发生了一定的改变,在此前研究的基础上重新总结了不同污染源硝酸盐氮同位素的值域范围(见表1).

表1 不同污染源硝酸盐氮同位素的值域范围

由表1可以看出,不同污染来源的硝酸盐的氮同位素δ15N的值域存在重叠的情况,因此单利用氮同位素追踪水体中硝酸盐污染不能准确判断污染来源.为了探索更完善的检测方法,开始对硝酸盐中氧同位素的值域范围进行研究.

2.2 水体中不同来源硝酸盐氧同位素值域

环境中氧的同位素主要以16O、17O和18O的形式存在,相对丰度分别为 99.76% 、 0.04% 和 0.20% .测定氧同位素时,通常采用维也纳标准海洋水(VSMOW)作为标准物.δ18O 的值计算方法同氮同位素.

通过阅读大量文献,总结出了不同污染源硝酸盐氧同位素的值域范围(见表2),可分为三大类[15-17]:①大气沉降作用;②硝态氮肥;③土壤微生物的硝化作用而产生的硝酸盐(包括氨态氮肥、土壤中的氮、粪肥和污废水中的硝酸盐以及雨水中的氨).

表2 不同污染源硝酸盐氧同位素的值域范围

由表2可以看出,不同来源的硝酸盐氧同位素的值域范围有明显差别,几乎不存在值域范围重叠的现象,故相对于利用氮同位素识别硝酸盐污染的来源,利用氮和氧两种同位素识别水中硝酸盐污染来源在理论上更加精确.然而实际工作中测试值,且往往超出这一范围较多.故又探索利用多种同位素联合识别水体中硝酸盐的污染来源.

3 多种同位素联合识别水体中硝酸盐的污染来源

4 结论与展望

虽然目前可以利用多种同位素识别水体中硝酸盐的来源,但是识别的精确度却不能满足研究的需要,需要在不断优化现有方法的同时提出新方法.由于同位素分馏作用的存在,使得识别硝酸盐来源的结果与真实情况有所差异,所以应加强对同位素分馏作用的判别并对分馏过程进行定量化,最大程度地减小分馏过程对同位素判源方法准确性的影响.分馏过程定量化和利用相关模型定量识别水体中硝酸盐污染应该是以后深入研究的主要方向.

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【责任编辑: 胡天慧】

Tracking Nitrate Pollution Sources of Water Body by Using Multiply Stable Isotopes

WuNana1,QianHong1,LiYafeng1,WangYusi2

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. Liaoning Electric Power Survey & Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Corporation Limited, Shenyang 110179, China)

The principle of isotope tracer technique and the typical range of nitrate in theδ15N andδ18O are summarized. The method of combining different isotopes to identify the sources of nitrate pollution in water is described. The direction of future development in this field is discussed.

water body; nitrate pollution; nitrogen isotope; oxygen isotope

2016-12-12

辽宁省博士科研启动基金资助项目(201501070); 辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2015451);沈阳建筑大学学科涵育项目(XKHY2-53).

吴娜娜(1985-),女,山东枣庄人,沈阳建筑大学讲师,博士.

2095-5456(2017)02-0103-04

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