environmental-toxicological-studies-Sci Forschen

全文

研究文章
分光光度法測定水樣中硝酸鹽方法的驗證

Iseyemi O1Adviento-Borbe MAA1 *哈斯L2法裏斯傑2Reba毫升1梅西JH1

1三角洲水管理研究小組,美國農業部農業研究小組,美國
2美國阿肯色州立大學生物科學係

*通訊作者:Adviento-Borbe MAA,美國農業部三角洲水管理研究小組-農業研究小組,美國;電子郵件:arlene.advientoborbe@ars.usda.gov


核心理念
  • 釩還原法在檢測低硝酸鹽濃度時是靈敏的
  • 釩還原法是一種經濟有效的NO處理方法3.決心在水中
  • 我們發現了釩還原量與標準鎘NO的相關性3.減少
摘要

一種使用氯化釩(III)的單試劑分光光度法3.)能夠準確而可靠地測量出低水平的硝酸鹽(NO3.-N)的農業徑流。VCl結果3.方法得出的數據相關性良好(r=0.86;與沒有p < 0.001)3.-N濃度用標準鎘NO測定3.還原法。對於自然水體和模擬農業徑流的溶液,檢測和定量的限分別為0.0和0.04 mg NO3.- n L-1,而NO3.回收率從97到100%不等。VCl3.方法在低硝酸鹽濃度(0.03 ~ 1.6 mg NO3.- n L-1),所需樣品比標準鎘法少99%。這些結果表明,釩還原法能準確定量微量NO3.地表水和農業徑流等地表水樣本中的-N。

關鍵字

硝酸;水;釩還原法;鎘還原法


簡介

硝酸(不3.)是淡水係統中普遍存在的汙染物,對農業和人類健康產生重要影響[1]。它也是一種必要的營養物質,對作物最佳生產[2]至關重要。在農業中,施用無機氮肥約50%用於植物生長,其餘以NO的形式流失3.通過淋濾(25%)和地表徑流(5%)的組合進入淡水,並以氣態形式如氧化亞氮(N2O)通過微生物反硝化/硝化和氨(NH3.)通過揮發(20%)[2,3]。高濃度NO的存在3.,與水體中的磷(P)一起,可加劇富營養化,導致下遊生態係統中有害的藻華和氧氣消耗[4,5]。高不3.飲用水源中的一氧化氮水平是一個持續的人類健康問題,因為一氧化氮可能導致高鐵血紅蛋白血症或藍寶寶綜合征(嬰兒血液攜氧能力降低)和胃癌風險3.汙染[1]。認識到氮肥施用對作物產量、場外汙染和長期氮肥對人類健康的影響3.暴露時,考慮NO是很重要的3.環境中的離子使用一個準確的,穩健的,可靠的量化程序。

測定NO的若幹方法3.在水和其他基質中也有使用和報道。這些技術包括毛細管電泳[6]、流動注射分析/自動化和電化學檢測[7]、色譜與熒光檢測[8,9]、化學發光[10]和各種分光光度技術[1,11]。雖然這些方法中大部分的化學原理都得到了明確的討論和采用,但許多方法在檢測低濃度NO時並不靈敏3.(< 10毫克L-1),也受到複合幹擾[12]。分光光度法由於操作簡單、檢測範圍廣、對專用或昂貴設備的要求最低而被廣泛使用[11,13]。最近的研究表明,分光光度法測定NO3.氯化釩(III)還原法(VCl3.)與鎘還原法相比,NO處理可靠、經濟、安全、方便3.水和土壤提取物的測定[11,14]。用酸溶液中的釩(III)來降低NO3.亞硝酸鹽(沒有2).因為沒有2由Griess試劑(N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽(NEDD)、磺胺和磷酸)捕獲。該方法是將所有的化學試劑混合在一個溶液中,需要少量的溶液來顯色,以便分光光度測定。釩還原法提供可靠的數據複製與檢測NO3.在低濃度(μ g L-1),與鎘還原相反,後者可能對低NO不太敏感3.濃度[11]。與鎘還原/ Griess反應相比,釩還原法所需化學品較少,實驗設備和材料方便、成本低,樣品較少,產生的廢物[14]較少。雖然程序步驟可以簡化,但在分析數百個樣品時可能需要額外的時間。然而,試劑製備所需的時間是最短的,試劑一旦製備好,可以在4℃的黑暗中保存,以避免氧化[11],並根據需要使用兩周。本研究的目的是進一步評估VCl的敏感性和可靠性3.NO的確定程序3.-N在水和鹽溶液基質中的濃度,並將這些結果與使用鎘還原法得到的結果進行比較。

材料和方法
釩還原法

需要,VCl磺胺3.、鈉不2硝酸鈉、氯化鈣和鹽酸都是從SigmaAldrich或Thermo Fisher科學公司購買的。所有化學試劑均為試劑級(測定值為>99%),使用時未進一步純化。氯化釩(III)容易產生腐蝕性煙霧,特別是暴露在潮濕空氣中。因此,水蒸氣被吸收成VCl3.通過在黑暗中儲存和保持打開的瓶子在密封真空幹燥器內與充足的無水硫酸鈣幹燥劑最小化瓶。

配製溶液,0.5 g VCl3.加入200 mL 0.5 M HCl中。VCl氧化3.通過稱重VCl3.直接放入裝有200毫升0.5 M HCl的燒瓶中。將溶液輕輕搖動,使VCl溶解3.,未溶解顆粒通過0.45 m孔徑的醋酸纖維素注射器過濾器過濾。VCl以來3.不被歸類為對環境有害或有毒(供應商SDS數據),在製備試劑時不需要過多的預防措施。然後,在VCl中加入0.2 g磺胺和0.01g NEDD3.解決方案。如果在4℃下儲存,該試劑可穩定達兩周[11,14]。

用於含0.3至10mg NO的水樣3.- n L-1100µL的樣品等分線和800µL的VCl3.試劑轉移並直接在3-mL半微試管中混合(Brandtech Scientific Inc., CT, USA)。濃度為>10 mg NO3.- n L-1在加入VCl之前,將1 mL樣品稀釋5 - 10倍(視濃度而定)3.試劑加入化學試劑後立即在室溫(20-25℃)下顯靛酚藍。顏色穩定約48小時。在540 nm處使用UV/VIS 1800型分光光度計(Shimadzu, Inc., Japan)進行吸光度測量。VCl以來3.方法是將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽,水樣中亞硝酸鹽的存在也是通過使用相同的方法和試劑分析相同的水樣,但混合物中不含釩來確定的。因此,為了測定水樣中的硝酸鹽水平,用無釩試劑測定的亞硝酸鹽減去用氯化釩試劑分析的亞硝酸鹽。

鎘還原法

除25 mL樣品外,使用HACH DR/890色度計(Loveland, CO, USA)和HACH色度計營養商用標準試劑枕。NitraVer 6 NO3.將試劑粉枕加入樣品室中15 mL的樣品中,用力搖3分鍾。枕頭中的鎘金屬降低了NO3.樣品中出現的NO2.完全反應2分鍾後,10ml的合成溶液轉移到空的樣品細胞和NitriVer 3no的含量2添加試劑粉枕。亞硝酸鹽離子在酸性介質中與磺胺酸反應生成中間重氮鹽,重氮鹽與顯色酸結合形成粉紅色的產物。15分鍾後,粉色顯現達到最大值,在520 nm處使用HACH DR/890比色計(Loveland, CO, USA)測量吸光度讀數。除原25 mL樣品外,其餘10 mL樣品作為空白樣品。每測一次顏色,對空白樣品進行測量。

檢測和測定的限度

為了建立VCl3法的檢測和測定限度,采用了不同基質(去離子水和鹽溶液)的空白。樣品與試劑的比例為1:8,100µL的水樣,或100µL 0.1 M的氯化鈣2溶液和800 μ L的VCl3.試劑轉移並混合在3ml半微試管中。對於每個矩陣(水或CaCl2溶液),製備10個空白樣品,在25℃下靜置8小時,以獲得最大的顯色效果。接下來,使用UV/VIS 1800分光光度計(Shimadzu, Inc, Japan)在540 nm處測量吸光度。

檢測極限,LD定義為與分析噪聲(在沒有NO的情況下產生的信號)可靠區分的最低分析物濃度3.),使用公式1 (Currie[15])進行估計。

\ [{L_D} ={\ 4.65 \倍部分_B }\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,[ 1) \]

∂的地方BNO的標準差是多少3.濃度(毫克3.-N L-1) 10個空白樣品。測定(定量)極限LQ定義為可靠區分的最低分析物濃度並產生滿意的定量估計,統計置信水平設置為95%,標準差為10%,隨機誤差服從正態分布。用Currie[15]描述的公式2估計釩還原法的LQ。

\ [{L_D} ={\ 14.1 \倍部分_B }\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,[ 2) \]

已知矩陣的標準試驗

在兩種基質中製備硝酸鹽-氮標準曲線;即去離子水和0.01M氯化鈣2.0.01 M的CaCl2除去離子水外,還選用了氯化鈣2-solution模擬土壤溶液濃度和灌溉水中鹽的存在[16,17]。鈣是土壤吸附絡合物和交換過程中的主要陽離子,易於在土壤水分中解吸。0.01 M CaCl製備標準品的吸光度值2將基質與在去離子水中製備的標準相比較,以評估基質對顏色發展的最大幹擾。1000毫克NO3.- n L-1將1.37 g納米溶解製備原液3.1升去離子水。低標準範圍(0毫克NO3.- n L-10.2毫克NO3.- n L-10.4毫克NO3.- n L-1和1.6 mg NO3.- n L-1),樣品與試劑的比例為1:8,這是Doane和Horwath(2003)[14]推薦的。用釩還原法分析硝態氮標準濃度。在3個不同的時間製備10個重複的標準品,在室溫(25℃)下大約8小時後測量溶液吸光度,在此期間達到最大顯色量。使用兩個矩陣對應的空白設置零吸光度。

不同基質中硝酸鹽- n的回收

三個帶有NO的樣本矩陣3.-N濃度介於0.1 ~ 0.4 mg NO之間3.- n L-1添加了已知數量的NO3.-N和準備評估任何基質組分對NO3估計的潛在幹擾,並確定程序的可重複性。兩種樣品基質各49.9 mL, 100 mg NO3 -N L 0.1 mL-1(從標準原液中製備)。對原始樣品和加標樣品分別進行3個重複。用釩還原法和NO法分析硝酸鹽- n濃度3.用去離子水中製備的校準N標準物測定所有樣品中的-N水平。添加mg NO回收率百分比3.- n L-1的估計如公式3[18]所示。

\ [\ % R = \壓裂{{(飆升、試樣rm {}} {{\ rm{}} -濃度未加料的{\ rm{}}濃度)}}{{\ rm{}}{知道飆升{\ rm{}}添加濃度{\ rm{}}}} \乘以100 \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,[ 3) \]

釩還原法和鎘還原法的比較

從位於美國路易斯安那州克雷格黑德縣的一個商業行行作物農業生產農場(CLRF)和該農場附近的兩個流域(分別位於密西西比縣的小河流流域(LRDB)和路易斯安那州波因塞特縣的下聖弗朗西斯盆地(LSFB))收集了52份徑流水樣本,總麵積分別為461公頃、5340公頃和2335公頃。相關的土地種植棉花、水稻和大豆。在CLRF基地,從2016年5月25日至2016年8月25日生長季期間排水生產區的兩條溝渠中采集了抓水樣本。溝渠為尾水回收灌溉係統供水。在LRDB和LSFB站點,每個站點的溪流水質監測站都有5個樣本,從2017年4月6日至2017年5月23日每周收集水樣本。在作物生長早期采集水樣,獲得不同範圍的NO3.-N個級別。樣品來自降水、灌溉和灌溉農田的排放事件,並立即儲存在冰中運輸到實驗室。水樣品在化學分析前24小時內用0.45- m醋酸纖維素注射器過濾器過濾。對水樣進行NO分析3.- n的VCl3.在美國農業部(USDA)-農業研究服務部(ARS)瓊斯博羅的水質研究實驗室(Delta水管理研究單元(DWMRU))和阿肯色州立大學水生態實驗室的鎘減少標準方法[19]中所述的減少程序。避免NO的暫時性變化3.水樣-N濃度隨時間的變化,在采樣24小時內使用兩種方法分析水樣。

統計分析

使用Levene檢驗(任何連續分布)檢驗數據的方差齊性,而使用Shapiro-Wilk檢驗檢驗正態性假設(樣本正態分布)。當數據集未能通過正態性檢驗時,將數據進行日誌轉換以驗證參數統計假設。對每個標準濃度水平進行兩次樣本t檢驗,以評估去離子水基質標準值與0.01M氯化鈣吸光度讀數之間的差異2矩陣。采用Pearson線性相關和線性回歸評價NO之間的關係3.用鎘還原法和VCl法分析的水樣中-N濃度3.氯化還原過程。在所有試驗中,alpha的顯著水平設置為0.05。所有統計分析均使用Minitab®統計軟件進行。17 (Minitab Inc.,美國)。

結果與討論

VCl3還原法的檢測和測定限度

空白吸光度讀數的差異在0.124到0.350 nm之間,兩個矩陣的變異係數百分比為19.0%。在所有矩陣中計算的變異百分比表明在重複和矩陣的顏色測量中可能發生的任何小的和相似的吸收噪聲信號。檢測限(LD)為0.01 mg NO3.- n L-1對於去離子水和0.01 M的CaCl2基質中NO的測定限為0.03 mg3.- n L-10.04 mg NO3.- n L-1,分別。相似的LQ估計(0.03 mg NO3.- n L-1Doane和Horwath(2003)報告了海洋和淡水樣品中[14]的含量,而LQ為0.02 mg NO .03.- n L-1Woollard等報道了[20]在牛奶和奶粉硝酸鹽分析中的應用。此外,Schnetget等人[21]也發現了0.01 mg NO的檢出限3.- n L-1用於分析陸地水樣。在Wang等人[22]和Garcia Robledo等人[23]進行的研究中,他們報告了0.001 mg NO的低得多的LD估計值3.- n L-1使用自動流動注射分析儀和分光光度計,通過外部水浴調節恒溫試管支架,分別用於淡水和海水樣品的硝酸鹽分析。顯然,這些研究報告的檢測限低於我們的研究是由於反應時間、溫度和水介質的差異,NO3.- n測定。本研究的檢出限與鎘還原法的報道相同(LD=0.01 mg NO3.- n L-1)使用上述HACH儀器。對於VCl3還原法,NO3.-N濃度為0.03和0.04 mg NO3.- n L-1(LQ)為最低NO3.-N的水平,可以估計在水和氯化鈣2矩陣,分別有最低的風險作出錯誤的測量。本研究估計的LQ閾值比臨界標準10mg NO低約300倍3.- n L-1飲用水[24]。我們的發現表明VCl3.還原法可以測量NO3.-N在水中的濃度和氯化鈣2樣品精確到痕量濃度。

分析不3.-N個標準在不同的樣本矩陣

將不同濃度的標準物在去離子水中製備的吸光度與在氯化鈣中製備的標準物的吸光度進行比較2確定矩陣成分幹涉的解。在no中測定的平均吸光度之間無顯著差異3.去離子水和0.01M CaCl的校準樣品2矩陣(p水平=0.07-0.87)。由於吸光度讀數相似,兩種基質中使用的一係列標準得到了相同的線性曲線,決定係數(R2)為0.999(圖1)。與硝酸鹽濃度的線性響應範圍為0 ~ 40µM NO3.(2.5毫克3.l-1)也是Garcia Robledo等人在評估VCl時發現的3.硝酸標準樣品還原法。此外,在本研究中,平均回收率的峰值NO3.在所有基質中,水溶液樣品中的-N從96到100%不等(表1)。這個範圍在Schnetger等人[21]和Wang等人[22](89到108%)報告的回收率範圍內3.還原法采用淡水樣品(即湖泊、河流、雨水、自來水)進行評價。

圖1:NO校準曲線3.-N標準(0-1.6 mg NO3.-N L-1)在去離子水和氯化鈣中製備2矩陣。

樣品-試劑比(µL) 最初沒有3.- n(球型-1 加標回收率(%)
去離子水 100:800 0.2 95.7 (2.68)
CaCl2 100:800 0.2 96.7 (2.68)
去離子水 100:800 0.4 98.4 (1.22)
CaCl2 100:800 0.4 100 (2.68)
自來水 100:800 0.2 98.5 (6.00)

表1:樣品中添加硝酸鹽的平均回收率(n = 3)。括號內的值為平均值測量的標準誤差。

我們的研究結果表明,在去離子水和鈣溶液基質分析NO的所有標準水平中,基質幹擾相似和/或最小到零3.-N使用VCl3.還原法。此外,其他非目標分析物(CaCl2)在NO3.-N分析存在NO增加的樣品3.- n濃度。自從CaCl2與水基質相比,基質對標準品的吸光度沒有顯著影響,隻要樣品與試劑的比例為1:8,顯色達到最大值,任何基質都可以用來製備標準品集來分析水樣。對於濃縮樣品或樣劑比<1:8的樣品,應量化基質幹擾,以考慮幹擾和測定限度。Garcia Robledo等人[23]建議將高硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度的水樣稀釋至<40 μ M硝酸鹽(2.5 mg NO3.l-1),以更準確地估計水中的硝酸鹽濃度3.還原法。此外,高鹽含量會幹擾吸收響應,可能導致對NO的低估3.水樣中的-N含量。Wang等人[22]發現使用VCl分析硝酸鹽的靈敏度下降3.增加水樣中鹽含量(0-80 μ M)的還原法。Garcia Robledo等人[23]報道,鹽效應在鹽度在20到50(32和73 mS cm2)之間保持穩定,並有類似的吸光度響應(94%)在蒸餾水中獲得的值。因此,為了避免非目標分析物的顯著幹擾,校準曲線應以待分析樣品中發現的鹽度範圍為基質編製。我們的數據有力地支持VCl的高重複性和高回收率3.NO還原法3.-N分析水和氯化鈣2Doane等人[14]報告的樣品。

VCl3.還原與鎘還原方法的比較

使用兩種VCl對來自不同農田的水樣進行分析3.還原程序和還原鎘方法。硝酸鹽濃度測定采用一套標準(0至1.6毫克NO3.- n L-1在去離子水中製備的NO含量為0.03 ~ 1.68 mg3.- n L-1.在所有三個地點和采樣日期中,存在很強的線性相關性(r=0.86;p -值<0.0001)和線性擬合(R2 =0.73;R=0.85)3.用鎘還原標準法和VCl法分析樣品得到的濃度3.類似地,Wang等人[22]、Schnetger等人[21]和Cecchini等人[25]的研究發現VCl之間存在類似的擬合3.使用濃度低於62 μ M的地表水樣品(1 mg NO3.- n L-1).鎘還原和VCl測量結果的平均差值3.還原法為14.83%,其中VCl3.還原過程高於鎘還原標準法。這個值比Doane等人報告的相似矩陣和NO的平均差異(3.4%)要高得多3.方法比較。在Doane和Horwath研究[14]中,平均差異是從NO較高範圍的水樣中計算出來的3.濃度(1 ~ 10mg NO3.- n L-1)和更少的數據點用於斜率估計(3);而在我們的研究中,我們使用了5個數據點,水樣的NO濃度範圍較低,為0.1和1.6 mg3.- n L-1.本研究將鎘還原法與VCl進行比較3.方法使用來自16個水采樣點的地表徑流,這些水代表了商業領域和/或自然分水嶺的廣泛實際水質特征。在數據分析中充分考慮了不同來源地表水樣品的變異。該分析對水常規檢測比色法的驗證具有重要意義。

圖2:來自克雷格黑德縣、密西西比縣小河溝盆地(LRDB)和波因塞特縣下聖弗朗西斯盆地(LSFB)的不同農田的水樣中硝酸鹽濃度的關係,采用鎘還原法和釩還原法測定。

結果表明,鎘還原法對NO的還原靈敏度較低3.離子沒有2在與重氮化試劑(磺胺)在極低水平的NO反應之前3.在水樣。Miranda等人[11]還觀察到鎘還原法對降低NO的敏感性降低3.與VCl相比,這種方法可能低估了硝酸鹽的濃度3.還原法。NO被低估的一個潛在原因是3.使用鎘還原法的-N是陸地土壤和海洋沉積物的水樣中溶解的有機C (DOC)的存在,導致還原鎘柱的降解。Schnetger等人[21]測試了DOC對添加DOC (100 mg DOC L)的20 μ M硝酸鹽校準溶液的影響-1),並發現對還原效率沒有幹擾(<2%)。總的來說,我們使用VCl3.水樣還原法提供了準確的NO估計3.-N在低分析物濃度。

結論

本研究報道了涉及減少NO的替代程序的可重複性和可靠性3.通過VCl3.NO定量試劑3.-N在自然水體和Casolution中的濃度。該方法不需要複雜的試劑製備時間或專用設備,適用於小體積樣品(< 1ml)。與標準的鎘還原法相比,該方法使用的水樣少99%,更準確地定量了微量NO3.在水- n。與標準鎘還原測定法的良好的強相關性,以及在低水平可以忽略的基質幹擾,證明了該方法用於常規NO測量的適宜性3.地表水等地表水樣本中的-N含量。而其他研究報道了VCl的適用性3.試劑還原法在醫療、食品和對照實驗室實驗中的應用,進一步證明了該方法在NO測定中的適用性3.在商業領域和/或流域發生的不同程度的水質性質的農業地表水-N含量。同樣,也有其他研究表明,鎘還原法在測定NO時靈敏度較低3.-N在NO範圍較高的樣品中3.濃度(1 ~ 10mg NO3.- n L-1)與VCl比較3.本研究表明,與VCl法相比,試劑還原法的鎘還原靈敏度大大降低3.試劑還原法在較低NO3.-N範圍(0.1和1.6毫克NO3.- n-1).VCl3.該方法非常適用於由於采樣協議(如土壤溶液、植物SAP或在收集過程中可獲得的樣品)而導致的有限樣本量。此方法也可作為NO符合性測試的一種有用的常規替代方法3.也沒有2在醫療食品和研究實驗室

確認

我們感謝K. Kahill在各個農業領域的水取樣方麵的幫助。我們也感謝允許在他們的農場采集樣品的生產者,他們是傑瑞·唐和湯米·克拉克、威爾迪家庭農場、史蒂夫·克雷格和裏特農業綜合企業。


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條信息

文章類型:研究文章

引用:Iseyemi O, Adviento-Borbe MAA, Haas L, Farris JL, Reba ML,等(2018)分光光度法測定水樣中硝酸鹽的驗證。環境毒理學研究2(1):dx.doi.org/10.16966/2576-6430.113

版權:©2018 Iseyemi O等人。這是一篇開放獲取的文章,根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布,該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製,前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

  • 收到日期:2018年5月07

  • 接受日期:06年6月,2018

  • 發表日期:13 2018年6月,