总氮含量分析方法比较及黑龙江典型淡水养殖池塘和自然水域总氮含量的变化

黄丽，覃东立，吴松，陈中祥，高磊，黄晓丽，王鹏

（中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070）

随着工业化的不断加速和人口急剧增长，携带大量有机物及氮等营养元素的工业废水废物、生活污水、农业废水排放到江河中。2004—2014年我国发生了74起主要水污染事件，其中有39起是工业废水废物违规排放导致的水体污染，2起是自然灾害间接导致水体污染，10起水污染导致鱼类大量死亡，被有机物和无机物污染，水体出现富营养化，危害人类身体健康。氮是导致水体富营养化的主要营养元素之一，水体中总氮（total nitrogen，TN）含量反映水质污染程度，是评价水体富营养化的重要指标。总氮含量是在标准规定条件下，待测水样中溶解态氮及悬浮物中氮的总和，包括硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、无机铵盐、溶解态氮及大部分有机含氮化合物中的氮含量[1]。

目前TN含量检测方法有碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（国标法）、高温氧化-化学发光检测法[2]、过硫酸钾氧化-离子色谱法[3]、微波消解-电极法[4]、在线消解流动注射分光光度法[5]。国标法测TN含量是将水样进行高压消解预处理，检测成本低，但是操作费时、繁琐，压力灭菌锅使用存在安全隐患，实验用水、氧化剂纯度[6]、实验条件等因素会导致系统误差，紫外检测器双波长扫描重现性较差。这些均影响结果的准确性，不适用于大批量样品的测试[7-9]。

本研究采用德国耶拿仪器有限公司Multi N/C 2100S型总有机碳氮分析仪。该仪器具有高温催化，最高可达1 000℃，采用最好的CeO催化剂，耐用且催化效果好，可以用Pt和CuO等催化剂；VITA专利技术可以平衡气流波动引起的系统误差，保证测量的重现性；TN检出限可达50 mg/L，一次进样同时出结果，满足绝大多数分析要求；可耐85g/L以下高盐含量样品；可通过不同进样体积绘制标准曲线，减少系统误差[10]。该仪器测TN含量不需对水样进行预处理，微量进样，试剂消耗少，人为因素影响小，有利于提高结果的准确性，可以同步测定TN和TOC，应用范围广泛[11-15]，自动化程度高，分析速度快，提高检测效率，但是仪器价格昂贵，用途单一，仪器对水的要求很高[16]。

松花江是中国北方最重要的地表水资源，林兰钰等[17]研究了2001—2015年松花江流域水污染变化特征发现，无机氮（氨氮）污染在逐渐加大，而生活饮用、水产养殖和工农业用水等多来源于松花江水。本研究建立总氮分析方法，并监测了不同时间松花江各点、典型的淡水养殖池塘（宾县1#池～3#池）、稻田和白鱼泡水体中TN含量的变化特点。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

碱性过硫酸钾（K2S2O8）：称取40.0g过硫酸钾溶于600mL水中，另取15.0g氢氧化钠溶于300mL水中。待氢氧化钠溶液温度冷却至室温后，混合两种溶液，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；盐酸溶液：V+V=1+9；有证总氮标准储备液1 000mg/L（货号为N117895）；总氮标准使用液：适当体积总氮标准储备液稀释至10mg/L。

U4100紫外-可见分光光度计（日本日立公司）；LD2X-75KBS立式压力蒸汽灭菌器（上海申安医疗器械厂）；Multi N/C 2100S总有机碳氮分析仪（德国耶拿）；BT2202S电子天平（赛多利斯科学仪器有限公司）。

1.2 方法与原理

1.2.1 采样方法

利用水样采集器，五点采样法采集松花江、典型的淡水养殖池塘（宾县1#池～3#池），和白鱼泡水样，用大烧杯采集稻田不同点位水样并混合均匀，存放于聚乙烯瓶中，及时带回实验室当天测定。

1.2.2 国标法测TN原理

在120～124℃下，碱性过硫酸钾溶液使样品中含氮化合物的氮转化为硝酸盐，用紫外分光光度计在220nm和275nm处，分别测定吸光度A220和A275，按公式（1）计算校正吸光度A，总氮（以N计）含量与校正吸光度A成正比[1]。

1.2.3 高温催化氧化-电化学检测法测TN原理

样品注入高温燃烧反应器（炉温750℃）中，通入纯氧气和催化剂时，总氮分解为一氧化氮，用电化学检测器检测转化的一氧化氮的含量，从而测定样品中总氮的浓度[18]。

1.3 数据处理

使用两种仪器进行对比实验，分别对2016年9月初采集的实际样品，平行测定3次，计算F值和t值，以验证两种测试方法测定结果的显著性。用格鲁布斯法（T）和Q检验法（Q）[19]检验各批次样品间是否有异常值。

利用Excel软件进行有关数据的统计分析，用OriginPro8.0作图。

2 结果与分析

2.1 处理方法

2.1.1 国标法测TN样品处理方法

分别取 0.00mL、0.20mL、0.50mL、1.00mL、3.00mL、5.00mL和7.00mL总氮标准使用液于25mL具塞磨口玻璃比色管中，其对应总氮含量分别为0.00μg、2.00μg、5.00μg、10.0μg、30.0μg、50.0μg和 70.0μg，加水稀释至10.00mL，再加5mL碱性过硫酸钾溶液，用纱布和线绳扎紧管塞，以防弹出。将比色管置于高压蒸汽灭菌锅中，加热至定压阀，吹气，关阀，继续加热至120℃，保持45min，自然冷却2～2.5h。每个比色管加入1.0mL盐酸溶液，用水稀释至25mL，盖塞混匀。用10mm石英比色皿，在紫外分光光度计上，以水做参比，分别于波长220nm和275nm处测定吸光度。零浓度的校正吸光度Ab、其他标准系列的校正吸光度 As及其差值 Ar按公式（2）、（3）和（4）进行计算。以总氮（以N计）含量（μg）为横坐标，对应的Ar值为纵坐标，绘制校准曲线。

式中：Ab，零浓度（空白）溶液的校正吸光度；Ab220，零浓度（空白）溶液于波长220nm处的吸光度；Ab275，零浓度（空白）溶液于波长275nm处的吸光度；As，标准溶液的校正吸光度；As220，标准溶液于波长220nm处的吸光度；As275，标准溶液于波长275nm处的吸光度；Ar，标准溶液的校正吸光度与零浓度（空白）溶液校正吸光度的差。

各取10.00mL试样和空白水样于25mL具塞磨口玻璃比色管中，按照上述步骤进行测定。按公式（5）计算：

式中：ρ，样品中总氮的质量浓度，mg/L；Ar，试样的校正吸光度与空白试验校正吸光度的差值；a，校准曲线的截距；b，校准曲线的斜率；V，试样体积，mL；f，稀释倍数。

2.1.2 高温催化氧化-电化学检测法测TN处理方法

配制成总氮浓度分别为 0μg/mL、0.20μg/mL、0.50μg/mL、1.00μg/mL、3.00μg/mL 和 7.00μg/mL 的标准系列浓度，然后进行测定。以标准系列溶液浓度对应仪器响应值，绘制总氮校准曲线。

2.2 仪器条件

紫外可见分光光度计波长为220nm和275nm，比色皿10mm。

Multi N/C 2100S总有机碳氮分析：氧气压力0.2～0.4MPa，进样体积 300μL，根据待测试样性质选择最大吹扫时间120s，积分时间200s，调节自动进样器的进样位置和深度，进出流量保持在（160±2）mL/min，垂直炉炉温750℃。

2.3 绘制标准曲线

两个仪器测TN标准曲线如图1和图2所示。紫外可见分光光度计和总有机碳总氮分析仪测定TN时，紫外可见分光光度法和高温催化氧化-电化学检测法测量范围均为0.2～7.0μg/mL。线性相关系数R2均大于0.999，说明两个仪器均符合国标的要求。

图1 紫外可见分光光度计测定标准工作液TN含量结果Fig.1 The results of standard working liquid TN contents by ultraviolet visible spectrophotometric determination

图2 总有机碳总氮分析仪测定标准工作液TN含量结果Fig.2 The results of standard working liquid TN contents by a total organic carbon nitrogen analyzer

2.4 方法准确度和精密度

用两种仪器对有证标准样品（货号为N117895，批号为B1619117）进行的测定分析和加标回收实验结果见表1。

结果表明：两种仪器检测结果平行性较好，测定结果均在真值范围内，样品测定结果相对标准偏差分别为0.82%和0.72%，均小于5%；样品测定结果相对误差分别为3.5%和4.1%，均小于5%。说明两种仪器的准确度和精密度都很好。

2.5 加标回收率

由表1可知，紫外法和高温催化氧化法加标回收率分别为100%和99.4%，满足水质分析技术规定，符合国标法测TN含量的要求。

2.6 准确度和精密度

2.6.1 F检验

用两种方法测定2016年9月样品的准确度和精密度，结果 α=0.25时，F（3）=9.28，各组的 F 值都小于F（3）=9.28，表明两种仪器检测结果精密度不存在系统误差（表2）。

2.6.2 t检验

α=0.05，t 0.05（4）=2.78。计算结果表明，各组的t检验值都小于t 0.05（4）=2.78，表明两种仪器检测结果准确度不存在系统误差。

紫外-可见分光光度计和Multi N/C 2100S总有机碳氮分析仪的精密度和准确度不存在系统误差。两种方法测定结果无显著性差异。在测定批量样品时考虑经济成本可以选择紫外法，考虑时效性和安全性可以选择高温催化氧化法。

2.7 各取样点水体中TN含量变化趋势分析

高温催化氧化法分析2016年5月上旬、7月中旬、8月初、9月初和11月初5个采样时间点水体及底泥中TN含量变化如表3。用格鲁布斯法（T）和Q检验法（Q）检验[19]对结果进行是否有异常值，并分析原因。

表1 总氮标准样品质量浓度的测定（mg/L）Tab.1 Determination of the mass concentrations of total nitrogen standard samples（mg/L）

表2 2016年9月不同地点水样中TN含量的监测结果（mg/L）Tab.2 Monitoring results（mg/L）of TN levels in the water samples collected at different areas in September 2016

表3 用高温催化氧化法比较TN含量随时间变化（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个月4次采样监测中，1#～3#池和白鱼泡水体中TN含量最高值的格鲁布斯检验值和Q检验值均低于 T（0.05,4）=1.46 和 Q（0.99）=0.93，结果中没有可疑值；在这5个月内，白鱼泡水体中TN含量无明显变化；1#池和3#池TN含量逐月升高，这与马瑞宁[20]研究南宁淡水混养池塘水质TN含量变化趋势相近，1#池～3#池9月TN含量均最高；稻田5月份水样TN含量最高值的T＞T（0.05,4）=1.46、Q＞Q（0.99）=0.93，说明该值较其他月份测得值可疑，明显高于7—9月份；7月松花江水样格鲁布斯检验和Q检验分析的T＞T（0.05,4）=1.46、Q＞Q（0.99）=0.93，两种检验结果表明：7月水样TN含量较其他月份的差异较大。

3 讨论

实验结果表明，高温催化氧化法与国标法测定水中TN具有相近的准确度和精密度，可实现对水质TN含量的准确、灵敏、快速测定，提高了工作效率；测量范围广，适用于多种水质、不同浓度TN的测定。

2016年5—9月监测黑龙江宾县某典型淡水养殖池塘池塘及其他自然水体中TN含量变化规律发现：9月份是池塘养殖高峰期[21]，鱼类个体长大，受养殖密度、养殖模式、天气、投饵量、施肥量及周边农作物施药量的影响[22]池塘水体出现TN含量偏高的现象；白鱼泡水源来自于周边坡耕地雨水汇集而成，流动性强，人为活动少，因此监测期间水体中TN含量无明显变化；5月是水稻生长的分蘗期，施用农药促生产，其TN含量初期明显偏高，显高于其他月份，随后N源被微生物分解利用，逐渐降低；7月松花江水中TN检出值略高于其他月份，该月份TN含量高可能是松花江水域鱼类生长迅速，排泄粪便和尿液，使氨氮和亚硝酸氮等氮源升高，7月温度升高会降低水体中溶解氧含量[23]，使水生动物缺氧而死亡[24]，尸体腐败变质，恶化水质，7月为雨季，周围河流（马家沟河）强降雨使河道内长期留存的污染物随径流进入松花江[25]，其他原因还有待进一步分析。