化合物生物礦化逆同位素標識分析法

齊孟文中國農(nóng)業(yè)大學(xué)第1頁

評定有機化合物生物降解是地質(zhì)與環(huán)境科學(xué)中一個常見問題。直接測定有機物降解消耗方法顯然是不夠準確，所以常采取同位素標識方法。有機物礦化研究中，通常是用13C標識底物，由直接測定礦化產(chǎn)生13CO2，以確定有機物降解過程和程度，然而普通講有機物標識困難且成本昂貴，沉積物等介質(zhì)中溶解有機物則根本無法標識，為此這里提出一個化合物礦化逆同位素標識分析法。第2頁

1.基本原理化合物礦化逆同位素標識分析法原理是，在分析介質(zhì)中加入13C-H2CO3標識溶解無機碳庫（DIC=CO2（aq）+HCO3-+CO32-），則在封閉培養(yǎng)系統(tǒng)中，有機物降解終端產(chǎn)物CO2將在氣相和液相分配，并稀釋標識溶解無機碳庫13C豐度，基于同位素稀釋質(zhì)量平衡原理能夠求得礦化所產(chǎn)生CO2，進而得出有機物礦化過程，這是一個靈敏、簡單和相對廉價測定有機物礦化方法。第3頁圖.化合物生物礦化逆同位素標識分析法

第4頁圖.連續(xù)流氣體測定Gasbench-IRMS系統(tǒng)

第5頁2.普通流程

底物（無碳酸鹽）H213CO3+H2CO3(30mM，X13C～10%-55%）厭氧培養(yǎng)磷酸法DIC樣品制備CG或gasbenchCG測定第6頁

過程舉例

1）培養(yǎng)試驗

于250ml血清瓶盛裝135ml無碳酸鹽緩沖新鮮培養(yǎng)基，上蓋并用CO2/N2（20/80，v/v）沖洗，然后將NaH13CO3和NaH12CO3滅菌原液（各1M）由瓶口丁基橡膠塞注入，調(diào)整使介質(zhì)碳酸鹽濃度為30mM，13C比率為10%-50%，然后注入底物，并接種母體培養(yǎng)基，于300C黑暗中培養(yǎng)。第7頁

2）樣品制備

對于GC-IRMS測量，從培養(yǎng)瓶中取出0.5ml液體樣品，馬上注入15ml預(yù)先盛有4.5ml無水H3PO4（1M）血清瓶，用丁基橡膠塞密封，氦氣或氮氣沖刷玻管頂空，加熱板加熱使利用酸化反應(yīng)轉(zhuǎn)化DIC成為CO2，在CO2（g）-CO2（aq））平衡后，取部分頂空氣體進行測定。DIC濃度經(jīng)過測定質(zhì)量44峰有標準校正得到，

13CDIC由以下計量關(guān)系式進行計量。第8頁

圖.酸化樣品產(chǎn)生CO2，用吸附除去CO2高純氦氣清掃，出口針連接到銅管開口端侵入水中，以預(yù)防大氣中CO2倒流進入樣品。

第9頁

3）測試系統(tǒng)

ThermoFinnigan(不萊梅港市，德國,ThermoFisherScientific)GasBenchⅡ，配置著CTC自動進樣器（CTCAnalyticsAG,Zwingen,Switzerland），和ConFloⅣ接口和一個DeltaⅤ質(zhì)譜儀（也是ThermoFisherScientific）在ETH蘇黎世（蘇黎世，瑞士）。第10頁3.計量關(guān)系

1）

13CDIC測量計量公式經(jīng)H3PO4酸化溶解無機碳DIC轉(zhuǎn)化成CO2（g）和CO2（aq），因為CO2在氣液兩相中分配，所以需將直接測量對象CO2（g）

13C，轉(zhuǎn)變成DIC

13C，即

13CDIC。相關(guān)計量公式推導(dǎo)以下：

（1）

式中，Xg和（1-Xg）分別為CO2（g）和CO2（aq）摩爾分數(shù)。第11頁CO2（g）和CO2（aq）之間同位素分餾系數(shù)定義為

（2）

由亨利定律CO2（aq）=

PCO2（g），有

（3）第12頁

合并以上各式，最終有

（4）

第13頁

式中，

是對CO2亨利方程常數(shù)，在絕對溫度T=298.15K純水系統(tǒng)為3.345×10-4mol.m-3.pa-1

，

13Cg-aq為1.07‰，在其它情況下

依賴于溶液中鹽強度。由上式可見，修正關(guān)系還與Vg/Vl比值以及絕對溫度T相關(guān)，通常因為缺乏

和

13Cg-aq數(shù)據(jù)，以上關(guān)系慣用溶解無機碳標準溶液進行校正，只要確保樣品與標準Vg/Vl比值、鹽強度和溫度相同，則（1+Vg/（VlRT

））為常數(shù)，同時校正過程也包含了對測定過程可能同位素分餾校證，即使其改變幅度與降解過程本身引發(fā)標識同位素改變幅度往往能夠忽略不計。第14頁例題：在T=298.15K下，將1mlH2O+0.1mlH2PO4水溶液，注入12ml密封玻璃管，即Vg=10.9ml，Vl=1.1ml，則第15頁

2）礦化CO2計量由質(zhì)量和同位素守恒定律，有

（5）

（6）

式中，CT表示試驗結(jié)束時系統(tǒng)總無機碳，CB為初始時系統(tǒng)背景總無機碳，CO2為有機化合物礦化所產(chǎn)生總二氧化氮，x是13C同位素豐度，角標T、B和P對應(yīng)系統(tǒng)總、背景和礦化。

第16頁又，背景值為初始時所測定溶解無機碳與頂空氣相中CO2之和。

（7）

合并以上各式，最終得到有機化合物礦化所產(chǎn)生總二氧化碳為

（8）

其中，xp等于13C自然豐度，為1.1%。第17頁

3）無機碳平衡計量設(shè)培養(yǎng)容器V=250ml，頂空含有20%CO2，即CO2分壓0.2atm，對于t=250C，進行DIC平衡及品種計算，其平衡關(guān)系為

查表得t=250C時,亨利常數(shù)為第18頁

則

又設(shè)