海洋沉積物中有機碳同位素分析范文

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《海洋學(xué)報》2015年第十一期

1引言

陸源與海源有機碳在近岸海域與河口呈混合狀態(tài)，識別其來源對研究生物地球化學(xué)過程具有重要意義。沉積物中有機碳同位素分析（δ13C）是示蹤有機質(zhì)來源的重要手段之一，已得到廣泛應(yīng)用。其原理是基于陸源與海源自生有機碳的終端不同，分別來源于CO2（δ13C＝－7‰）和HCO－3（δ13C＝1‰）［1］。沉積物中δ13C范圍多為－6‰～－35‰；典型的陸源C3植物多為－23‰～－30‰，C4植物多為－13‰（－9‰～－17‰）；典型的海洋浮游植物約為－22‰（－17‰～－24‰）。海洋沉積物中的碳存在有機和無機兩種形式，無機碳主要以碳酸鹽的形式存在，含13C豐富的無機碳酸鹽，會導(dǎo)致δ13C值顯著偏正，影響對有機碳來源的判斷。因此，海洋沉積物δ13C分析前，必需進行酸化處理以去除無機碳的影響。

在樣品酸化過程中，一方面要保證無機碳酸鹽完全去除，另一方面要避免有機物被氧化，揮發(fā)或分餾，以及酸溶性有機物的流失。目前，常用的方法包括酸洗法、酸蒸法和原位酸洗法。酸洗法是指用非氧化性酸性溶液（常用的有HCl、H2SO3和H3PO4）去除樣品中的無機碳酸鹽，然后用Mill－Q水洗至中性，減少對儀器的影響，但在洗至中性的過程中可能導(dǎo)致部分酸溶性有機碳流失。酸蒸法是將適量樣品放于銀杯中，用Mill－Q水浸潤后，置于鹽酸蒸汽中去除無機碳酸鹽，并避免酸溶性有機碳的流失，但較強的酸性環(huán)境會破壞樣品中較易分解的有機組份。原位酸洗法是對銀杯中適量的樣品，逐步增加非氧化性酸的滴加體積，直至無機碳酸鹽完全去除，該方法可以避免酸溶性有機碳的流失以及高濃度的酸性環(huán)境對有機質(zhì)的破壞。但是，原位酸洗法和酸蒸法對無機碳去除效率較低，尤其是對白云石和菱鐵礦，并且生成的氯化物會對儀器產(chǎn)生影響。除上述常用方法外，部分實驗室用非原位酸洗法（如法國LittoralEnvironmentetSociétés（LIENSs）－UMR7266實驗室）。非原位酸洗法是稱取適量樣品于玻璃小瓶中，采取從低濃度開始，加入完全去除樣品中無機碳酸鹽的酸，該方法對無機碳去除效率較高，但因未對多余的酸進行處理，樣品中的殘留酸可能會影響δ13C的分析。鑒于不同酸化方法存在的優(yōu)勢和劣勢，需要針對不同沉積物選擇不同的酸化方法。

國外學(xué)者利用不同的酸以及不同酸化方式，對不同類型的沉積物進行了處理，發(fā)現(xiàn)酸化結(jié)果與沉積物中無機碳含量的高低以及無機碳酸鹽的類型（方解石、文石和菱鐵礦等）顯著相關(guān)。研究表明，我國近海海域沉積物中無機碳酸鹽礦物主要為方解石和文石，但不同海區(qū)兩種組分所占比例有所不同，且總無機碳含量存在差異，大亞灣（南海）較低，而長江口（東海）相對較高（表1），然而，國內(nèi)學(xué)者對不同海洋沉積物酸化方法缺乏優(yōu)化研究。因此，本研究分別選取了無機碳含量差異顯著的溫帶與熱帶河口、海灣海洋沉積物樣品，比較了3種不同酸化方法（酸洗法、酸蒸法和非原位酸洗法）對有機碳同位素分析的影響，期望為我國海洋沉積物δ13C分析提供更為合理、可靠的前處理方法。

2實驗方法

2．1樣品選取及相關(guān)信息本研究選取了4個來源于澳大利亞熱帶河口、海灣的高無機碳含量樣品，以及6個來源于我國溫帶河口、海灣的低無機碳含量樣品，將樣品冷凍干燥，用瑪瑙研缽研磨混勻后用大進樣量元素分析儀（德國El－mentar公司，型號：VarioMACROcube）對碳含量進行分析。稱取約150mg原樣測定總碳，稱取約150mg酸化后的樣品（酸洗法，詳細(xì)步驟見2．2）測定有機碳。無機碳的含量為總碳與有機碳之差。詳細(xì)信息見表2。

2．2樣品酸化方法1：酸洗法稱取約1g樣品于15mL聚丙烯離心管中，每個樣品3個平行樣，分別加入10mL2mol／LHCl、6％H2SO3和1mol／LH3PO4，充分搖勻后，超聲2min，然后靜置24h，其間應(yīng)搖勻樣品2～3次，使其充分反應(yīng)。24h后離心倒出上清液，再加入10mLMill－Q水，搖勻離心，重復(fù)以上水洗步驟直至用pH試紙檢測溶液為中性。將樣品冷凍干燥后，在瑪瑙研缽中研磨使其均質(zhì)化。精確稱取適量樣品于錫舟中壓實包樣，上機測試。方法2：酸蒸法該實驗主要參考Harris等［9］和Komada等［18］的研究結(jié)果，將最短和最長酸蒸時間分別設(shè)定為6h和48h。稱取適量樣品于銀杯中，放入96孔板，每個樣品3個平行樣。先在每個銀杯中滴加50μLMill－Q水，浸潤樣品，以使樣品能夠充分接收酸蒸汽。大約50mL濃鹽酸（37％HCl）倒入準(zhǔn)備好的玻璃燒杯中，放在干燥器的底部，將96孔板放在干燥器內(nèi)，置于通風(fēng)櫥中。分別在6h、9h、12h、15h、18h、24h、30h和48h將樣品依次取出60℃烘干，用錫舟將銀杯一起壓實包樣，上機測試。方法3：非原位酸洗稱取樣品約80～100mg于玻璃小瓶中，先加入1mL0．5mol／LHCl，輕輕晃動，使無機碳酸鹽與HCl充分反應(yīng)，根據(jù)沉積物中無機碳的含量確定添加HCl的濃度（如：1mol／L、2mol／L），直到瓶內(nèi)無氣泡產(chǎn)生，使加入的鹽酸將沉積物中的無機碳完全去除，然后將樣品超聲，超聲好的樣品60℃烘干。烘干后的樣品加入1mLMill－Q水，同時沖洗玻璃瓶內(nèi)壁，晃動均勻并超聲，然后冷凍干燥。干燥后在瑪瑙研缽中研磨使其均質(zhì)化。精確稱取適量樣品于錫舟中壓實包樣，上機測試。

2．3樣品同位素分析本研究中的樣品δ13C分析由氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜（美國ThermoFisher公司，型號：MAT253）測定，儀器的精度小于0．2‰。樣品δ13C（‰）是相對于國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)PDB（PeeDeeBelemnite）。

2．4數(shù)據(jù)分析本研究的數(shù)據(jù)分析方法主要是單因素方差分析（ANOVA），在α＝0．05的顯著性水平下，如果p＞0．05，表明不存在顯著差異。所涉及數(shù)據(jù)用SPSS16．0分析處理，圖表在SigmaPlot12．5中完成。

3結(jié)果與討論

3．1酸洗法中酸種類的影響酸洗法因?qū)x器影響小，在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。因此，本研究選取了3種不同酸2mol／LHCl、6％H2SO3和1mol／LH3PO4進行處理。結(jié)果表明：對于無機碳含量較高的澳大利亞樣品，用2mol／LHCl、6％H2SO3和1mol／LH3PO4處理后δ13C的范圍分別為－19．28‰～－21．46‰、－3．06‰～－16．63‰和－3．62‰～－18．53‰（圖1）。比較發(fā)現(xiàn)，6％H2SO3和1mol／LH3PO4酸洗后的結(jié)果偏正于海洋沉積物δ13C的范圍，而2mol／LHCl酸洗的結(jié)果更符合海洋沉積物δ13C特征。可能是由于6％H2SO3和1mol／LH3PO4對菱鐵礦和白云石的去除效率較低［19］，比如白云石需要在70℃高溫下才能溶解［8］，故難以去除樣品中的無機碳酸鹽，而HCl對不同類型的無機碳酸鹽去除效率都很高［20］。對于無機碳含量較低的我國溫帶河口、海灣樣品，除了6％H2SO3酸洗的樣品YRE2（－19．28‰）和YRE3（－16．16‰）的δ13C結(jié)果異常外，ANOVA分析表明其余樣品3種酸洗后δ13C的結(jié)果差異并不顯著（p＞0．05），范圍為－21‰～－24‰，與其他學(xué)者在鄰近區(qū)域的研究結(jié)果一致。酸洗法的研究結(jié)果表明，6％H2SO3和1mol／LH3PO4去除無機碳酸鹽的效率較低，對于無機碳含量較高的樣品并不適合；而2mol／LHCl去除無機碳效率高且穩(wěn)定性最好，適用于不同無機碳含量的海洋沉積物，這與Ken－nedy等［8］研究結(jié)果一致。

3．2酸蒸法中酸蒸時間的影響圖2給出了不同酸蒸時間下（6～48h），樣品δ13C的測定結(jié)果。結(jié)果表明：除樣品KGR2外，其余樣品均隨酸蒸時間的增加，δ13C值表現(xiàn)出3個階段：逐漸偏負(fù)、相對穩(wěn)定、突然偏負(fù)（圖2）。對于無機碳含量較高的澳大利亞樣品，6～15h酸蒸后，δ13C值逐漸偏負(fù)約1‰，表明樣品中的無機碳酸鹽正逐漸被去除；15～24h酸蒸后，δ13C值變化幅度小于0．5‰，表明樣品中的無機碳酸鹽已經(jīng)完全去除，其δ13C值范圍為－23．7‰～－26．8‰；24h酸蒸后，δ13C值突然偏負(fù)約2‰～3‰，且樣品平行性較差。這可能是由于較強的酸性環(huán)境破壞樣品中較易分解的有機組分，以酸蒸汽的形式揮發(fā)［11，13］；或者是由于酸蒸時間過長導(dǎo)致C被污染［15］。對于無機碳含量相對較低的我國溫帶河口、海灣樣品，其δ13C變化的3個階段表現(xiàn)為：6～9h逐漸偏負(fù)約1‰；9～15h相對穩(wěn)定（樣品SSLB12～15h相對穩(wěn)定），δ13C值變化幅度小于0．3‰，范圍為－21．3‰～－24．9‰；15h后，尤其是18h后，突然偏負(fù)約2‰～3‰，且不穩(wěn)定。酸蒸法的研究結(jié)果表明，酸蒸時間超過24h，會導(dǎo)致δ13C分析結(jié)果顯著偏負(fù)，這與Komada等研究結(jié)果一致。對于無機碳含量較高的澳大利亞樣品，15h酸蒸較為合理，而對于無機碳含量相對較低的我國溫帶河口、海灣樣品，9h酸蒸較為適宜。

3．3非原位酸洗法結(jié)果由于KGR1、KGR2、YRE1和YRE3樣品量不足，本研究只對其余6個樣品進行了方法3（非原位酸洗）處理。該方法采取直接滴加鹽酸的方法去除無機碳酸鹽，同時在酸化過程中可以觀察玻璃小瓶內(nèi)的反應(yīng)情況，以判斷無機碳是否完全去除。在操作過程中，采取從低濃度開始，加入剛好去除樣品中無機碳酸鹽的酸體積，減少樣品中的殘留酸。表3為樣品測定結(jié)果，與海洋沉積物δ13C的范圍相吻合。3．43種酸化方法的比較根據(jù)3．1、3．2和3．3的優(yōu)化結(jié)果，將方法1中2mol／LHCl酸洗的結(jié)果，方法2中15h（澳大利亞熱帶河口、海灣海洋沉積物樣品）和9h（我國溫帶河口、海灣海洋沉積物樣品）酸蒸后的結(jié)果與方法3的結(jié)果進行了對比（圖3）。對于無機碳含量較高的澳大利亞樣品（CB1和CB2），方法1和方法3的結(jié)果差異較小，其δ13C值范圍為－21‰～－22‰，而方法2的結(jié)果顯著偏負(fù)約4‰（約－26‰），表明酸蒸法并不適應(yīng)于無機碳含量較高的澳大利亞熱帶河口、海灣沉積物樣品。對于無機碳含量較低的我國溫帶河口、海灣樣品，3種酸化方法的結(jié)果差異較小，其δ13C值均在－22‰～－23‰的范圍內(nèi)，其中方法3的結(jié)果相對偏正于方法1和方法2（圖3），表明3種酸化方法都適用于無機碳含量相對較低的我國溫帶河口、海灣沉積物樣品。方法1中，HCl在去除無機碳酸鹽的過程中會生成吸濕性鹽（如CaCl2•H2O），特別是對于碳酸鈣含量較高的沉積物。這會導(dǎo)致樣品吸收空氣中的水分，對包樣的精確性造成影響；其次，這類氯化物腐蝕性很強，會影響儀器檢測的準(zhǔn)確性。水洗可以避免吸濕性鹽對δ13C分析的影響，但含13C豐富的化合物（如：蛋白質(zhì)、氨基酸以及多糖類物質(zhì)）易水解流失，導(dǎo)致方法1中δ13C結(jié)果相對于方法3偏負(fù)（圖3）。方法2（酸蒸法）和方法3（非原位酸洗）避免了酸洗過程中可溶性有機物的流失，但是，方法2中有機質(zhì)暴露在強酸環(huán)境中，對較易分解的13C豐富的有機組分破壞較大，導(dǎo)致δ13C結(jié)果相對于方法3偏負(fù)（圖3），這與Komada等研究結(jié)果一致。方法3避免了方法2中高濃度酸環(huán)境對有機組分的破壞，故δ13C結(jié)果較方法1和方法2偏正（圖3）。然而，方法3與方法2面臨同樣一個問題，即部分未揮發(fā)的酸和生成的吸濕性鹽會殘留在樣品中，可能會影響δ13C的分析。為證實該影響的程度，本研究從黃渤海挑選了16個沉積物樣品，用方法3進行酸化處理，處理后的樣品于2015年1月第一次上機測試，然后放置于干燥器中2個月后（2015年3月）第二次上機測試，發(fā)現(xiàn)兩者之間差異較小（圖4），表明殘留酸對δ13C的分析影響輕微。通過以上分析可知，方法3不但可以保證無機碳酸鹽完全去除，而且對樣品中的有機組分以及儀器的影響最小。此外，方法3操作安全，避免了離心水洗過程中（方法1），底部沉積物隨上清液倒出的可能性；也避免了酸化過程中（方法2），因反應(yīng)劇烈導(dǎo)致樣品飛濺、以及產(chǎn)生的吸濕性鹽包裹未反應(yīng)無機碳的可能性。因此，方法三是去除海洋沉積物中不同無機碳酸鹽含量較為理想的方式。

4結(jié)論

通過研究酸化過程對海洋沉積物中有機碳同位素分析的影響，我們得到如下結(jié)論：（1）酸洗法中6％H2SO3和1mol／LH3PO4并不能完全去除較高無機碳含量樣品中的無機碳酸鹽；2mol／LHCl對去除海洋沉積物中不同無機碳含量更為理想。（2）酸蒸法并不適用于無機碳含量較高的沉積物樣品；無機碳含量較低的沉積物樣品，9h酸蒸較為適宜。（3）非原位酸洗達(dá)到了較為理想的效果，不僅避免了水洗過程中酸溶性有機物的流失，而且降低了殘留酸對樣品有機組份以及儀器設(shè)備的影響。

作者：彭亞君 王玉玨 劉東艷 唐丹玲 單位：中國科學(xué)院 煙臺海岸帶研究所 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室 中國科學(xué)院大學(xué) 中國科學(xué)院 南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境動力學(xué)重點實驗室