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土壤反硝化培养气体中N2和O2的气相色谱测定方法

更新时间:2016-07-05

土壤微生物反硝化过程是维系闭合全球氮循环所必需的氮素形态转化环节的重要组成部分[1 - 2]。土壤反硝化作用是指在微生物(包括细菌和真菌)的作用下,利用碳底物的氧化提供电子,使氮素土壤中的硝酸盐硝态氮被还原成NO、N2O和N2的过程。在中性或碱性土壤处于嫌气状态时,微生物反硝化过程较为强烈,使土壤中植物有效态氮素转化成无效态的分子态氮,从而引起氮肥的损失,最终导致作物减产。对反硝化过程中气体产物所占比例的直接测定是研究氮循环机理的基础,但却又是一个难题[3 - 4]。目前,已发展出了四类略有不同的氦环境培养的气体同步直接测定系统,分别以Swerts等[5]、Scholefield等[6]、Butterbach-Bahl等[7]以及Molstad等[8]报道的测定系统为代表。这些测定系统适用于土壤反硝化过程中的非破坏性培养,对于破坏性培养,如定期采集土壤、气体等的情况则不适用。对于破坏性培养条件下的样品测定,则需要将样品培养与仪器测定分开进行,这其中涉及到样品采集及对采集的样品进行测定等,而大气中高的N2浓度会对样品中低含量N2的测定造成干扰,因此需要在厌氧条件下进行操作。

气相色谱(GC)法具有灵敏度高、分离效率高、操作简便、定量准确以及易于自动化等优点,已广泛应用在农业、石油和石油化工、环境、食品、医药及生物科学等研究领域[9]。目前,N2和O2主要是利用GC法进行测定,即采用5 Å分子筛填充柱或者毛细管柱结合热导检测器进行检测[10 - 11]。本研究探索利用厌氧培养箱制备样品,以避免样品测定过程中空气中N2和O2的渗入,对土壤反硝化过程样品中的N2和O2进行测定。

1 实验方法

1.1 主要仪器与试剂

GC-7890型气相色谱仪(美国,安捷伦公司),配备热导检测器(TCD)以及Agilent Chemstation色谱工作站。旋片式真空泵(上海双鹅)。

三个梯度浓度的N2和O2混合标准气体购自中国计量科学研究院,在101.325 kPa下,三个梯度的标准气体中N2和O2浓度分别为1.0%和0.254%(Std1)、3.0%和1.02%(Std2)、6.01%和2.0%(Std3),以高纯氦气(He)为底气。

1.2 气相色谱条件

载气:He(99.999%);进样体积250 μL。柱温100 ℃;热导检测器:参比气流量60 mL/min;尾吹气(高纯He):2 mL/min;加热器:100 ℃;色谱柱:5 Å分子筛柱(3 m×1/8″,兰州中科安泰分析科技有限公司),填充柱(PorapakQ,6ft),双柱串联;柱流量:采用电子流量(EPC)恒定流量为8 mL/min,分析时间2 min。进样方式为阀进样,阀事件:0.01 min,阀4打开;1.9 min,阀4关闭。阀4为十通阀,阀1为六通阀。N2和O2检测的流路为:当阀4关闭时,气体通过自动进样器从样品瓶中被吸入到阀4中,通过阀4 的9-8-1-10位排出。0.01 min时,阀4 打开,气体通过阀4的9-8-1-10位排出。此时,气体在载气的带动下通过阀4的7-8-9-10-1-2,经过Porapak Q填充柱预先分离后,经阀4的6-5再进入到5 Å分子筛柱中分离后,进入到TCD中检测。

[3] Davidson E A,Seitzinger S.Ecological Applications,2006,16(6):2057.

1.3 样品处理

按照1.3所示方法,分别在厌氧箱和大气环境下,以Std2 作为母体浓度,以高纯He作为稀释气体,配制成一定浓度的气体。分别吸取1、2、5 mL的Std2注入到采样瓶中,再分别向其中注入29、28、25 mL的高纯He于相应的气瓶中,并混合均匀(分别以X1、X2、X3标示)。其峰面积差异见表2,可以看出使用厌氧箱后,低于Std1的浓度其峰面积差异在23.0%~47.1%之间,对低浓度的样品(N2≤1.0%,O2≤0.254%)影响较大。对高浓度的样品,基本没有影响,含量越高,影响越小。厌氧箱的使用,对低含量样品测定的准确性提供保障。

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1.4 厌氧箱的构造及操作方法

1.4.1 构造 箱体为L1×W1×H1:700×720×500 mm,材质为5 mm不锈钢304,一个真空压力表置于箱体的右上方,前开门方式,可视窗面板19 mm厚钢化玻璃,后部接5个卡套接头,右侧接1/16螺纹口1个,内置插线板、照明系统(白色超高亮LED荧光条),保压时长12 h,后设真空泵一台;手套孔大小为Φ152 mm,手套为美国诺斯进口丁基合成橡胶手套。

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1.4.2 气体置换 气体置换前应保证系统的密封性良好。用高纯He置换厌氧箱内含高浓度N2的空气,直至其全部为高纯He所取代。置换过程采用负压式置换,即首先用真空泵将厌氧箱内含有高浓度N2的气体抽出,使其到达负压状态(-0.1 MPa),然后注入高纯He以平衡压力。经GC法检测置换后的气体中N2和O2的峰面积基本保持不变时,确认气体置换完成,这样的过程重复至少三次。分别用高纯He置换一次、两次、三次、四次、五次后对厌氧箱内的气体中N2和O2含量进行测定。从表1中可以看出,置换三次后,厌氧箱内气体中的N2和O2的峰面积保持恒定,说明已达到平衡,满足测试需求。

表1 高纯He置换后N2O2的峰面积(单位mAu·s)

Table 1 The peak area of N2 and O2after replacement by high-purity He gas(unit,mAu·s)

TimesofreplacementPeakareaN2O2TimesofreplacementPeakareaN2O212033.6544.34620.3170.22888.4235.95621.7171.23624.2173.6

取N2和O2浓度分别为3.0%和1.02%的混合标准气体,重复测定10次,N2和O2的保留时间相对标准偏差(RSD)均<0.1%,峰面积RSD均<0.8%,说明该方法精密性良好。马小奇等[10]利用毛细管柱分析了N2中O2含量,本研究中N2和O2的保留时间和峰面积RSD与其相比,重现性有较大提高。

一是护理人员自身的因素。护理人员自身的临床经验与专业知识上的欠缺是影响护理工作效果的重要因素之一,心血管疾病的特性决定了护理人员需要有充足的专业知识储备,丰富的临床经验积累。部分刚毕业的护理人员工作经验欠缺,对于专业知识的理解不深入,工作经验不足,在工作中可能会出现疏忽大意、警觉性低以及用药和操作不规范等,导致在护理工作中对患者的安全带来威胁。另外,部分护理人员的责任感不高也是一个重要的不安全因素。部分护理人员的岗位责任意识不强,工作不积极甚至是拖拉敷衍,只会机械完成医嘱上的要求,对于患者关心不够,容易导致突发情况的产生,影响到心血管内科护理工作的正常进行。

2 结果与讨论

2.1 使用厌氧箱前后N2和O2峰面积对比

样品瓶在充满He的厌氧箱中用真空泵抽成真空状态后,将用针筒采集到的气体在大气中用注射器吸取30 mL注入到10 mL气管中,另取同样的样品在充满He的厌氧箱中用注射器吸取30 mL注入到10 mL气管中,采用中国农业科学院专利产品自动进样器(CN201522479U)进行自动进样,然后进入GC仪分析。

表2 N2O2的峰面积前后对比(单位mAu·s)

Table 2 Comparison of peak area of N2and O2(unit,mAu·s)

SamplesN2O2BeforeusedAfterusedRSD(%)BeforeusedAfterusedRSD(%)Std1984.7779.820.8333.5251.424.6X1449.5224.747.1124.364.744.6X2459.8286.132.9130.584.330.4X3721.1495.226.3207.5149.523.0He(99.999%)208.384.859.389.129.966.4

图1 N2和O2分离色谱图 Fig.1 The chromatogram of N2 and O2

2.2 标准曲线与方法检出限

在本实验中,考虑到安全性,采用高纯He作为载气进行N2和O2的测定。将各标准气体在1.2节色谱条件下测定。测定结束后,以摩尔浓度X为横坐标,响应峰面积Y为纵坐标,绘制标准曲线。以信噪比为3时的浓度值,作为方法的检出限,信噪比为10时作为方法的定量限。结果表明,各组分线性良好,线性相关系数均达到0.999以上。N2和O2的线性范围、线性回归方程以及方法检出限见表3,N2和O2的色谱分离图见图1。

表3 N2和O2的线性方程线性相关系数线性范围与检测限

Table 3 The linear equation,correlation coefficient,linear range and detection limit

CompoundLinearequationCorrelationcoefficientLinearrange(μmol/mol)Detectionlimit(μmol/mol)O2Y=626.20X+9.470.999290.0-20000.087.5N2Y=668.07X+18.640.999780.0-60100.0232.7

2.3 精密度试验

1.4.3 气体采样分析 气体置换前,将采集好的样品全部置于厌氧箱内。气体置换结束,待仪器稳定后开始样品测定。

2.4 加标回收试验

分别加入3个N2和O2浓度分别为3.0%和1.02%的混合标准气体于空白气管中,分别向其中加入等体积的样品,混合均匀后按样品操作方法测定,结果N2和O2的回收稳定性较好,回收率为90.0%~110.0%。说明该方法测定的N2和O2结果准确度高。加标回收试验结果见表4。

表4 加标回收试验结果

Table 4 Recovery results for spiking experiment

CompoundOriginal(mAu·s)Added(mAu·s)Found(mAu·s)Recovery(%)O2327.5112.4443.1102.8327.5174.6516.2108.0327.5388.7726.2102.5N21030.1396.81441.7103.71030.1631.01709.6107.61030.11442.82499.9101.8

2.5 气体样品测定

用该方法测定土壤反硝化实验过程中的气体样品,结果见表5。

表5 土壤反硝化实验过程中气体样品测定结果(单位μmol/mol)

Table 5 The determination results of O2 and N2 in soil denitrification experiment(unit,μmol/mol)

CompoundSample1Sample2Sample3O24850943942060N22025038400175500

3 结论

采用针筒直接取样、使用厌氧箱在厌氧条件下制备样品以及采用自动进样器阀进样,气相色谱法测定,线性响应好。厌氧箱的使用,使样品中的N2和O2尤其是低浓度的样品中的N2和O2测定更加准确,方法适合土壤反硝化过程中N2和O2的测定,同时对其他工艺过程中产生气体中N2和O2的间接测定提供参考。

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[2] HOU H J,QIN H L,CHEN C L,et al.Research of Agricultural Modernization(侯海军,秦红灵,陈春兰,等.农业现代化研究),2014,35(5):588.

第三,应当稳住外汇。坚持施行以市场供求为基础的有管理的浮动汇率制度,在一定程度上限制海外投资并购行为,防止国际间资本的过分流动和资本外逃。支持并鼓励使用人民币进行对外投资,紧跟“一带一路”的脚步,努力加深人民币国际化的进程。

[4] Groffman P M,Altabet M A,Bohlke J K,et al.Ecological Applications,2006,16(6):2091.

参考文献

作为中国最大的钾肥工业基地,盐湖股份在致力于钾盐工业的探索和发展,碳酸钾、氢氧化钾、储能熔盐等钾盐项目已形成规模,盐湖生态镁锂钾园已具雏形的基础上,也在积极谋求“巩固钾、走出钾、提升钾”,为中国钾盐钾肥工业的发展壮大和实现石化产业“十三五”“走出去”目标做出应有贡献。未来十年,盐湖将构建现代盐湖产业体系,以“活下来、好起来、强起来”三部曲为途径,用大智慧、大手笔,利用大优势、大机遇,化解大困难、大挑战,释放大潜力、大活力,实现大转型、大发展。

[6] Scholefield D,Hawkins J M B,Jackson S M.Soil Biology and Biochemistry,1997a,29(9-10):1345.

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许丽卫,王玲,陈闻,耿梅梅,张丽萍,袁红朝,李春勇,彭灿,王久荣
《分析科学学报》 2018年第02期
《分析科学学报》2018年第02期文献

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