總氮含量分析方法比較及黑龍江典型淡水養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

（中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

隨著工業化的不斷加速和人口急劇增長，攜帶大量有機物及氮等營養元素的工業廢水廢物、生活污水、農業廢水排放到江河中。2004—2014年我國發生了74起主要水污染事件，其中有39起是工業廢水廢物違規排放導致的水體污染，2起是自然災害間接導致水體污染，10起水污染導致魚類大量死亡，被有機物和無機物污染，水體出現富營養化，危害人類身體健康。氮是導致水體富營養化的主要營養元素之一，水體中總氮（total nitrogen，TN）含量反映水質污染程度，是評價水體富營養化的重要指標。總氮含量是在標準規定條件下，待測水樣中溶解態氮及懸浮物中氮的總和，包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、無機銨鹽、溶解態氮及大部分有機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（國標法）、高溫氧化-化學發光檢測法[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]。國標法測TN含量是將水樣進行高壓消解預處理，檢測成本低，但是操作費時、繁瑣，壓力滅菌鍋使用存在安全隱患，實驗用水、氧化劑純度[6]、實驗條件等因素會導致系統誤差，紫外檢測器雙波長掃描重現性較差。這些均影響結果的準確性，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型總有機碳氮分析儀。該儀器具有高溫催化，最高可達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專利技術可以平衡氣流波動引起的系統誤差，保證測量的重現性；TN檢出限可達50 mg/L，一次進樣同時出結果，滿足絕大多數分析要求；可耐85g/L以下高鹽含量樣品；可通過不同進樣體積繪制標準曲線，減少系統誤差[10]。該儀器測TN含量不需對水樣進行預處理，微量進樣，試劑消耗少，人為因素影響小，有利于提高結果的準確性，可以同步測定TN和TOC，應用范圍廣泛[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現，無機氮（氨氮）污染在逐漸加大，而生活飲用、水產養殖和工農業用水等多來源于松花江水。本研究建立總氮分析方法，并監測了不同時間松花江各點、典型的淡水養殖池塘（賓縣1#池～3#池）、稻田和白魚泡水體中TN含量的變化特點。

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；有證總氮標準儲備液1 000mg/L（貨號為N117895）；總氮標準使用液：適當體積總氮標準儲備液稀釋至10mg/L。

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

1.2 方法與原理

1.2.1 采樣方法

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

1.2.2 國標法測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化為硝酸鹽，用紫外分光光度計在220nm和275nm處，分別測定吸光度A220和A275，按公式（1）計算校正吸光度A，總氮（以N計）含量與校正吸光度A成正比[1]。

1.2.3 高溫催化氧化-電化學檢測法測TN原理

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

1.3 數據處理

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

利用Excel軟件進行有關數據的統計分析，用OriginPro8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 處理方法

2.1.1 國標法測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總氮標準使用液于25mL具塞磨口玻璃比色管中，其對應總氮含量分別為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，關閥，繼續加熱至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、其他標準系列的校正吸光度 As及其差值 Ar按公式（2）、（3）和（4）進行計算。以總氮（以N計）含量（μg）為橫坐標，對應的Ar值為縱坐標，繪制校準曲線。

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，標準溶液的校正吸光度；As220，標準溶液于波長220nm處的吸光度；As275，標準溶液于波長275nm處的吸光度；Ar，標準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，按照上述步驟進行測定。按公式（5）計算：

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

2.1.2 高溫催化氧化-電化學檢測法測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 的標準系列濃度，然后進行測定。以標準系列溶液濃度對應儀器響應值，繪制總氮校準曲線。

2.2 儀器條件

紫外可見分光光度計波長為220nm和275nm，比色皿10mm。

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

2.3 繪制標準曲線

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

圖1 紫外可見分光光度計測定標準工作液TN含量結果Fig.1 The results of standard working liquid TN contents by ultraviolet visible spectrophotometric determination

圖2 總有機碳總氮分析儀測定標準工作液TN含量結果Fig.2 The results of standard working liquid TN contents by a total organic carbon nitrogen analyzer

2.4 方法準確度和精密度

用兩種儀器對有證標準樣品（貨號為N117895，批號為B1619117）進行的測定分析和加標回收實驗結果見表1。

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

2.5 加標回收率

由表1可知，紫外法和高溫催化氧化法加標回收率分別為100%和99.4%，滿足水質分析技術規定，符合國標法測TN含量的要求。

2.6 準確度和精密度

2.6.1 F檢驗

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

2.6.2 t檢驗

α=0.05，t 0.05（4）=2.78。計算結果表明，各組的t檢驗值都小于t 0.05（4）=2.78，表明兩種儀器檢測結果準確度不存在系統誤差。

紫外-可見分光光度計和Multi N/C 2100S總有機碳氮分析儀的精密度和準確度不存在系統誤差。兩種方法測定結果無顯著性差異。在測定批量樣品時考慮經濟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檢驗法（Q）檢驗[19]對結果進行是否有異常值，并分析原因。

表1 總氮標準樣品質量濃度的測定（mg/L）Tab.1 Determination of the mass concentrations of total nitrogen standard samples（mg/L）

表2 2016年9月不同地點水樣中TN含量的監測結果（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值和Q檢驗值均低于 T（0.05,4）=1.46 和 Q（0.99）=0.93，結果中沒有可疑值；在這5個月內，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]研究南寧淡水混養池塘水質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和Q檢驗分析的T＞T（0.05,4）=1.46、Q＞Q（0.99）=0.93，兩種檢驗結果表明：7月水樣TN含量較其他月份的差異較大。

3 討論

實驗結果表明，高溫催化氧化法與國標法測定水中TN具有相近的準確度和精密度，可實現對水質TN含量的準確、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、不同濃度TN的測定。

2016年5—9月監測黑龍江賓縣某典型淡水養殖池塘池塘及其他自然水體中TN含量變化規律發現：9月份是池塘養殖高峰期[21]，魚類個體長大，受養殖密度、養殖模式、天氣、投餌量、施肥量及周邊農作物施藥量的影響[22]池塘水體出現TN含量偏高的現象；白魚泡水源來自于周邊坡耕地雨水匯集而成，流動性強，人為活動少，因此監測期間水體中TN含量無明顯變化；5月是水稻生長的分蘗期，施用農藥促生產，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，惡化水質，7月為雨季，周圍河流（馬家溝河）強降雨使河道內長期留存的污染物隨徑流進入松花江[25]，其他原因還有待進一步分析。