CN108896645A - 一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法 - Google Patents

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康萍萍
王富强
赵衡
吕素冰
陈希
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Abstract

本发明涉及一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，依据不同污染源及受纳水体中氮同位素组成不同，通过分析近岸水体、养殖废水中氮同位素的丰度值，获得养殖废水对近岸水体中氮的贡献率，具体步骤如下：步骤1，根据国家相关行业标准规定在涨潮之前对各个采样点进行样品采集；步骤2，采用同位素质谱仪分析各样品中的氮、氢、氧同位素的丰度值，并与标准样品的同位素丰度值进行比较，计算出样品的同位素比率值，并由此计算出水样、养殖废水及潮沟水样中2H‑H2O、18O‑H2O和15N‑NO3 ‑的丰度值，应用贝叶斯网络模型计算污染源贡献率；本发明中同位素的使用增加了解析结果的准确性，且有效减少了监测的工作量，节省了人力物力资源。

Description

一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法
技术领域
本发明专利属于环境污染防治技术领域，具体涉及一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法。
背景技术
随着人口的快速增长，海产品的需求量也随之增加，进而促进了海水养殖业的发展，为了增加养殖产量和缩短养殖周期，养殖池中投放的大量的饵料和肥料中富含氮污染物，在被养殖生物利用后产生的粪便以及未被利用的饵料随着养殖排水进入周边水体中，在周边水体中累积，增加水体富营养化的风险；因此，在保证养殖产量的同时，如何监测、评价和控制养殖产生的污染物，是近岸水域水质管理的关键。
目前，针对近岸养殖排水氮污染物解析的研究较少，常规的方法主要是大尺度的海域监测和养殖池的室内模拟分析等，由于氮污染物的迁移转化性质以及不同养殖池运行的差异，使这些方法在应用时存在一定的局限性：大尺度的海域监测通过航测采样监测氮污染物的浓度，受船只的吃水深度和水深影响，航测路线离近岸养殖区域较远，通常在4～5km以外，而氮在水体中并不稳定，会发生化学转化过程，航测采样点监测的氮污染浓度并不是养殖排水中真实的氮污染浓度，因此航测采样分析存在着一定的误差；养殖池的室内模拟分析法是通过人工设置养殖条件、饵料投入量以及养殖排水的时间间隔，来分析养殖排水中氮污染物浓度的分布规律，这种方法人为设置条件多且严格，而我国大部分近岸养殖区域都是半集约化散户养殖以及散户养殖，养殖条件复杂多样，饵料的投喂量也存在较大差异，因此室内模拟分析法并不能真实地反映养殖排水释放的氮污染物情况；稳定同位素在环境中不会发生衰变，成分稳定，而且不同污染源具有不同的同位素特征，虽然不同养殖池废水中氮污染物浓度有差异，但是养殖废水中氮同位素丰度值是相对固定的，这使得同位素在养殖排水氮污染物解析中具有独特的优势。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，而提供一种比现有析分析方法更准确的基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，通过该方法可以获得近岸养殖池废水对近岸水体中氮污染物的贡献，以此为依据对近岸养殖进行控制和管理。
本发明的目的是这样实现的：一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，依据不同污染源及受纳水体中氮同位素组成不同，通过分析近岸水体、养殖废水中氮同位素的丰度值，获得养殖废水对近岸水体中氮的贡献率，具体步骤如下：
步骤1，样品采集
1.1）布设采样点，根据养殖池的大小以及养殖排水潮沟的特点，布设水样采集点：在不同规模大小的养殖池的进水口、排水口以及排水潮沟布设采样点；
1.2）根据预报的涨潮时间，采样时间在涨潮之前进行；
1.3）根据国家相关行业标准规定的方法进行采样；
步骤2，同位素分析
2.1）同位素分析指标：硝酸盐的氮同位素15N-NO3 -，水的氢氧同位素2H-H2O和18O-H2O；
2.2）同位素检测方法：采用同位素质谱仪分析各样品中的氮、氢、氧同位素的丰度值，并与标准样品的同位素丰度值进行比较，计算出样品的同位素比率值；
2.3）数据分析，根据步骤2.2）计算水样的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -的丰度值，以养殖废水的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -作为“源”，以潮沟水样的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -作为“汇”，应用贝叶斯网络模型计算污染源贡献率。
所述的步骤1.1）以养殖池、养殖废水排水口作为污染源的采样点，排入的潮沟作为污染源汇入的采样点。
所述的步骤2.2）中样品同位素比率值用同位素丰度通过与标准样品的同位素比值比较，并用偏差千分率δ‰表示，其计算公式如下：
其中，R是样品与参考物的比值，即15N/14N或18O/16O，15N的标准为大气，18O的标准是标准平均海水。
所述的步骤2.2）中样品同位素比率值的测定精度分别为：δ（15N-NO3 -）的绝对值小于0.5‰，δ（2H-H2O）的绝对值小于0.5‰，δ（18O-H2O）的绝对值小于0.1‰。
本发明的有益效果：本发明针对现有近岸养殖排水氮污染物解析的研究中存在的问题，提出一种比现有近岸养殖水域氮污染物解析分析方法更准确的基于同位素的分析方法，该分析方法依据不同污染源及受纳水体中氮同位素组成不同，通过分析近岸水体、养殖废水中氮同位素的丰度值，近岸养殖池废水对近岸水体中氮污染物的贡献，以此为依据对近岸养殖进行控制和管理；同位素在环境中的稳定性增加了该方法解析近岸水域污染源解析结果的准确性，并且在水质监测中不需要对污染源同位素特征进行实时检测，从而减少了监测的工作量，节省人力物力资源。
附图说明
图1是本发明一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法的实施例中养殖废水、潮沟和海水采样点分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，依据不同污染源及受纳水体中氮同位素组成不同，通过分析近岸水体、养殖废水中氮同位素的丰度值，获得养殖废水对近岸水体中氮的贡献率，具体步骤如下：
步骤1，样品采集
1.1）布设采样点，根据养殖池的大小以及养殖排水潮沟的特点，布设水样采集点：在不同规模大小的养殖池的进水口、排水口以及排水潮沟布设采样点；
1.2）根据预报的涨潮时间，采样时间在涨潮之前进行；
1.3）根据国家相关行业标准规定的方法进行采样；
步骤2，同位素分析
2.1）同位素分析指标：硝酸盐的氮同位素15N-NO3 -，水的氢氧同位素2H-H2O和18O-H2O；
2.2）同位素检测方法：采用同位素质谱仪分析各样品中的氮、氢、氧同位素的丰度值，并与标准样品的同位素丰度值进行比较，计算出样品的同位素比率值；
2.3）数据分析，根据步骤2.2）计算水样的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -的丰度值，以养殖废水的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -作为“源”，以潮沟水样的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -作为“汇”，应用贝叶斯网络模型计算污染源贡献率。
本发明针对现有近岸养殖排水氮污染物解析的研究中存在的问题，提出一种比现有近岸养殖水域氮污染物解析分析方法更准确的基于同位素的分析方法，该分析方法依据不同污染源及受纳水体中氮同位素组成不同，通过分析近岸水体、养殖废水中氮同位素的丰度值，近岸养殖池废水对近岸水体中氮污染物的贡献，以此为依据对近岸养殖进行控制和管理；同位素在环境中的稳定性增加了该方法解析近岸水域污染源解析结果的准确性，并且在水质监测中不需要对污染源同位素特征进行实时检测，从而减少了监测的工作量，节省人力物力资源。
实施例2
一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，依据不同污染源及受纳水体中氮同位素组成不同，通过分析近岸水体、养殖废水中氮同位素的丰度值，获得养殖废水对近岸水体中氮的贡献率，具体步骤如下：
步骤1，样品采集
1.1）布设采样点，根据养殖池的大小以及养殖排水潮沟的特点，布设水样采集点：在不同规模大小的养殖池的进水口、排水口以及排水潮沟布设采样点；
1.2）根据预报的涨潮时间，采样时间在涨潮之前进行；
1.3）根据国家相关行业标准规定的方法进行采样；
步骤2，同位素分析
2.1）同位素分析指标：硝酸盐的氮同位素15N-NO3 -，水的氢氧同位素2H-H2O和18O-H2O；
2.2）同位素检测方法：采用同位素质谱仪分析各样品中的氮、氢、氧同位素的丰度值，并与标准样品的同位素丰度值进行比较，计算出样品的同位素比率值；
2.3）数据分析，根据步骤2.2）计算水样的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -的丰度值，以养殖废水的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -作为“源”，以潮沟水样的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -作为“汇”，应用贝叶斯网络模型计算污染源贡献率；所述的步骤1.1）以养殖池、养殖废水排水口作为污染源的采样点，排入的潮沟作为污染源汇入的采样点；所述的步骤2.2）中样品同位素比率值用同位素丰度通过与标准样品的同位素比值比较，并用偏差千分率δ‰表示，其计算公式如下：
其中，R是样品与参考物的比值，即15N/14N或18O/16O，15N的标准为大气，18O的标准是标准平均海水；
所述的步骤2.2）中样品同位素比率值的测定精度分别为：δ（15N-NO3 -）的绝对值小于0.5‰，δ（2H-H2O）的绝对值小于0.5‰，δ（18O-H2O）的绝对值小于0.1‰。
本发明针对现有近岸养殖排水氮污染物解析的研究中存在的问题，提出一种比现有近岸养殖水域氮污染物解析分析方法更准确的基于同位素的分析方法，该分析方法依据不同污染源及受纳水体中氮同位素组成不同，通过分析近岸水体、养殖废水中氮同位素的丰度值，近岸养殖池废水对近岸水体中氮污染物的贡献，以此为依据对近岸养殖进行控制和管理；同位素在环境中的稳定性增加了该方法解析近岸水域污染源解析结果的准确性，并且在水质监测中不需要对污染源同位素特征进行实时检测，从而减少了监测的工作量，节省人力物力资源。
以山东省莱州市近岸养殖区为例
本发明提供了一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，其特征是基于养殖废水中特定的氮、氧同位素丰度特征，通过分析检测养殖废水以及周边水体的氮、氧同位素丰度，确定养殖废水氮的贡献率，具体步骤如下：
1、采样
1）采样位置：养殖池、养殖废水排水口作为污染源的采样点，排入的潮沟作为污染源汇入的采样点；
2）采样时间：根据预报的涨潮时间，采样时间在涨潮之前进行；
3）采样方法：依据国家标准《水质采样技术规程》（SL187-96）进行，在采样中对各采样点记录经纬度，采样位置、水样名称等；
2、同位素分析
1）分析指标：15N-NO3 -，2H-H2O，18O-H2O；
2）同位素分析方法：同位素采用同位素质谱仪进行分析，其中，δ2H-H2O和δ18O-H2O分析采用波长扫描光腔衰荡光谱技术（WS-CRDS）(美国Picarro公司生产，型号：Picarro L1115-I),标准样品采用VSMOW(δ2H=0‰，δ18O=0‰)和SLAP(δ2H=-428‰,δ18O=-55.5‰)，δ2H-H2O的分析精度为±0.5‰，δ18O-H2O的分析精度为±0.1‰；15N-NO3 -分析采用Isoprime-100同位素质谱仪进行，外部设备为vario PYRO cube元素分析仪，δ15N标准样品采用δ15 NUSGS34=-1.8‰，δ15 NUSGS32=+180‰。δ15N-NO3 -的分析精度为±0.5‰；
3）同位素分析原理：δ2H-H2O，18O-H2O测定原理是根据水气相分子的红外吸收光谱，通过测定其在特定波长处形成的特征光谱线的吸收峰值，进而计算δ2H-H2O和δ18O-H2O丰度；δ15N-NO3 -分析采用反硝化方法，即利用天然存在的无N2O还原酶活性的反硝化细菌将NO3 -转化为N2O气体，分析产生的N2O气体的15N，具体实验方法为：选取缺乏N2O活性酶的反硝化细菌—致金色假单胞菌Pseudomonas aureofaciens（ATCC13985，美国农业部菌种保存中心）菌株进行活化，放入带有NO3 -的胰蛋白胨大豆肉汤琼脂灭菌培养液中，在摇床上（26℃,180r/min）培养8d，直到培养基中NO3 -完全转化为N2O，将培养好的菌液进行离心，弃去上清液，剩余菌体进行浓缩，注入顶空瓶中，再用高纯氦气吹扫去除去自培养基的N2O气体，用注射器将待测样品及同位素标准样品注入瓶中，恒温过夜培养，第二天注入NaOH消散细菌后终止反应，并吸收产生的CO2，利用气密性注射器抽取顶空瓶中产生的N2O气体病送入痕量气体分析仪进行提取纯化和捕集N2O气体，再由同位素质谱仪测定氮氧同位素组成；同位素表示方法为用同位素丰度通过与标准样品的同位素比值比较，并用偏差千分率（δ‰）表示，计算公式如下：
其中，R是样品或参考物的15N/14N或18O/16O比值，15N的标准为大气（AIR），18O的标准是Vienna Standard Mean Ocean Water(VSMOW)；
δ2H-H2O、δ18O-H2O和δ15N-NO3 -检测分析结果如下：
3、数据分析
养殖废水、潮沟和海水采样点分布图如图1所示，潮沟水源主要是海水和养殖废水，依据同位素质量平衡混合模型，计算公式如下：
式中，δ为排水潮沟水样同位素值，fA、fB分别为养殖池和近岸海水的贡献率，δA、δB分别为养殖池和近岸海水的同位素值；依据以上公式，利用δ15N-NO3 -分别计算T1、T2、T3和T4中养殖排水和海水的贡献率，计算结果如下：
进一步验证以上计算结果，采用δ2H-H2O和δ18O-H2O计算4个潮沟水样的贡献率，计算结果如下：
从以上结果看出，利用δ2H-H2O和δ18O-H2O计算的贡献率与δ15N-NO3 -贡献率计算结果一致，说明采用氮同位素解析近岸水域养殖废水污染物是合理的。

Claims (4)

1.一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，其特征在于：依据不同污染源及受纳水体中氮同位素组成不同，通过分析近岸水体、养殖废水中氮同位素的丰度值，获得养殖废水对近岸水体中氮的贡献率，具体步骤如下：
步骤1，样品采集
1.1）布设采样点，根据养殖池的大小以及养殖排水潮沟的特点，布设水样采集点：在不同规模大小的养殖池的进水口、排水口以及排水潮沟布设采样点；
1.2）根据预报的涨潮时间，采样时间在涨潮之前进行；
1.3）根据国家相关行业标准规定的方法进行采样；
步骤2，同位素分析
2.1）同位素分析指标：硝酸盐的氮同位素15N-NO3 -，水的氢氧同位素2H-H2O和18O-H2O；
2.2）同位素检测方法：采用同位素质谱仪分析各样品中的氮、氢、氧同位素的丰度值，并与标准样品的同位素丰度值进行比较，计算出样品的同位素比率值；
2.3）数据分析，根据步骤2.2）计算水样的2H-H2O、18O-H2O和15N-NO3 -的丰度值，以养殖废水的2H-H2O，18O-H2O和15N-NO3 -作为“源”，以潮沟水样的2H-H2O，18O-H2O和15N-NO3 -作为“汇”，应用贝叶斯网络模型计算污染源贡献率。
2.根据权利要求1所述的一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，其特征在于：所述的步骤1.1）以养殖池、养殖废水排水口作为污染源的采样点，排入的潮沟作为污染源汇入的采样点。
3.根据权利要求1所述的一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，其特征在于：所述的步骤2.2）中样品同位素比率值用同位素丰度通过与标准样品的同位素比值比较，并用偏差千分率δ‰表示，其计算公式如下：
其中，R是样品与参考物的比值，即15N/14N或18O/16O，15N的标准为大气，18O的标准是标准平均海水。
4.根据权利要求1所述的一种基于同位素的近岸养殖水域氮污染物的解析方法，其特征在于：所述的步骤2.2）中样品同位素比率值的测定精度分别为：δ（15N-NO3 -）的绝对值小于0.5‰，δ（2H-H2O）的绝对值小于0.5‰，δ（18O-H2O）的绝对值小于0.1‰。
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