<span class="emphasis_bold">锌-镉还原法测定天然水中硝酸盐的最优测定条件</span>

(1.青岛农业大学海洋科学与工程学院，山东青岛 266109；2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所农业部海洋渔业资源可持续利用重点实验室山东省渔业资源与生态环境重点实验室，山东青岛 266071)

摘要：为选择用锌-镉还原法测定天然水中硝酸盐的适宜条件，对基质盐度、盐分组成、锌片面积、锌卷形状、容器器形、pH等6个影响因素，以及盐分组成与pH和锌片面积与锌卷形状因素间的交互作用进行了研究，并按照L16(41×212)正交表进行正交试验。结果表明：6个因素对测定结果的影响大小依次为基质盐度>盐分组成>锌片面积>pH>容器器形>锌卷形状，其中基质盐度、盐分组成和锌片面积对测定结果影响显著(P<0.05)；用锌-镉还原法测定天然水中硝酸盐的最优测定条件为震荡频率210 r/min，还原时间12 min，基质盐度25，在每升试验水中加入0.196 g NaHCO3，锌片面积为5 cm×6 cm，在此优化条件下进行测定，可得到较高且稳定的还原率，其精密度和回收率均较好。

硝酸盐是水体中主要的无机氮形式，随着对氮转化形式的深入研究，水中硝酸盐的污染问题越来越受到重视，硝酸盐已成为水环境监测中重要的化学指标[1-5]。硝酸盐测定方法中，锌-镉还原方法因简单省时、灵敏度高，比较适用。但用锌-镉还原法[6]在河水、湖水等水环境中检测硝酸盐时，经常出现还原率低和不稳定的现象，限制了该方法的应用。有报道显示，用锌-镉还原法测定时影响硝酸盐还原率的因素主要有基质盐度、锌片面积、水中离子的种类、溶液pH等[7-10]。但这些研究均针对单一因素展开，并未考虑因素之间可能存在的交互作用对还原率的影响。本研究中，针对可能影响硝酸盐还原率的多个因素及其因素间的交互作用进行试验，找出最关键的影响因素，从而确定该方法最适宜的测定条件，以便更加准确地定量硝酸盐，为天然水环境中硝酸盐的评价提供可靠、精确的参考依据。

1材料与方法

主要仪器：722型可见分光光度计，181型往返式电动振荡器，石英玻璃双蒸水器，MILLIPOREl-Q型去离子器，便携式酸度计等。

主要药品：硝酸钾(GR)，亚硝酸钠(GR)，锌片(GR)，氯化钠(GR)，硫酸镁(GR)，碳酸氢钠(GB),盐酸萘乙二胺(AR),磺胺(AR)氯化镉(AR),高纯水(经去离子器去离子后再经双重石英蒸馏器双蒸制得高纯水)。

锌-镉还原法的测定过程参见《海洋调查规范》[6]，主要考察还原率的大小及稳定性。

1.2.1 试验设计本试验中采用正交试验设计[11]，选取基质盐度、盐分组成、锌片面积、锌卷形状、容器器形、pH等6个因素，并考虑盐分组成与pH以及锌片面积与锌卷形状因素间的交互作用，按照L16(41×212)正交设计表进行正交试验。试验用水采用高纯水中添加NaCl和MgSO4配制(31 g NaCl和10 g MgSO4·7H2O)[6，12]；基质盐度选取5、15、25、35四个水平；盐分组成借鉴文献[6]和[12]，选取试验用水中添加或不添加0.196 g/L NaHCO3两个水平；锌片面积选取5 cm×3 cm 和5 cm×6 cm两个水平[8-9]；锌卷形状以把5 cm×3 cm的长方形锌片卷成内径为1.5 cm的大锌卷(层与层间均需留有空隙)或卷成内径为0.95 cm的小锌卷为水平划分标准，当锌片面积水平为5 cm×6 cm时，锌卷形状水平为小卷时需要将此锌片卷成大小相等的4个小卷，锌卷形状水平为大卷时需要将此锌片卷成大小相等的2个大卷；容器器形选用100 mL三角瓶和60 mL柱状玻璃瓶两个水平。试验温度为20 ℃，还原时间为12 min，震荡频率为210 r/min。试验因素水平见表1。

L16(41×212)表头设计中各因素为A、B、D、F、空、C、空、E、空、B×C、空、空、D×E。

1.2.2 工作曲线的绘制根据GB/T12763.4—2007《海水化学要素调查》[6]中硝酸盐工作曲线的制作规定，配制0、2、4、6、8、10 μmol/L标准系列溶液, 利用正交试验设计得出的最优条件进行还原操作，用重氮-偶氮光度法测定还原后溶液的吸光度，以吸光度与硝酸盐含量绘制工作曲线。

1.2.3 精密度和回收率的测定对配制的海水水样和天然水水样按优化步骤各进行6次平行测定，计算平均值、标准差和变异系数，评价精密度。利用正交试验得出的最优条件，测定2个海水加标水样、2个淡水加标水样，评价回收率[13]。

采用Excel软件对试验数据进行统计分析，显著性水平设为0.05。

2结果与分析

2.1试验条件对还原率的影响

按照表1和L16(41×212)表头设计安排实施试验，除考察6个因素的主效应外，同时考察B×C、D×E交互作用的效应，试验结果见表2。

从表2极差分析结果可见，6个因素对还原率的影响大小依次为基质盐度>盐分组成>锌片面积>pH>容器器形>锌卷形状，即基质盐度对试验结果的影响最大，而锌卷形状的影响最小。由于交互效应不止一列，故采用方差分析确定各因素的主次顺序，对各因素进行方差分析，由于因素D和B×C的F<1,为了提高试验检验的灵敏度，将因素D和B×C的平方和、自由度分别合并到误差e的平方和、自由度中，得到合并的误差均方，再用合并后的误差均方进行F检验，重新进行方差分析，结果如表3所示。

从表3可见， A、B因素对试验结果影响极显著(P<0.01)，E因素对试验结果影响显著(P<0.05)，其余因素对试验结果影响不显著(P>0.05)。根据F值的大小，试验所设的6个因素中，显著性影响因素的主次顺序为A>B>E。根据极差分析结果(表2)，本次试验最优试验号为13号，水平组合为A4B1C1D2E2F2，即最优测定条件：基质盐度为25，每升试验水中加入0.196 g NaHCO3，锌片面积为5 cm×6 cm，溶液pH为7，将其卷成内径为1.5 cm的大锌卷2个，采用60 mL柱状玻璃瓶作为试验容器，在此最优条件下，硝酸盐原原率为84.13%。

2.2工作曲线与还原率

根据正交试验所得最优试验条件绘制硝酸盐工作曲线,回归直线C=27.37A-0.077(R2=0.999，n=6)，其中C为浓度(μmol/L)，A为吸光度。相同条件下略去还原步骤，直接用亚硝酸盐标准溶液制作标准曲线。

按照《海水化学要素调查》[6]中还原率的测定方法，进行

-N(10.00 μmol/L)和

-N(10.00 μmol/L)吸光度的测定，得到该条件下硝酸盐还原到亚硝酸盐反应的还原率为80%。

2.3精密度与回收率

用改进后的分析步骤,进行精密度和回收率试验。精密度试验结果表明：海水水样中

-N的含量为(8.14±0.17)μmol/L,变异系数为2.09%；淡水水样中

-N的含量为(7.93±0.208)μmol/L,变异系数为2.62%(n=6)，改进后测试方法的精密度和准确度均较好。回收率试验结果见表4。

3讨论

锌-镉还原法是国家标准《海洋调查规范》[6]中硝酸盐测定的基本方法。但该标准中仅指出盐效应对还原率的影响，提出在盐度低于25时加入NaCl，经试验还原效果不理想。还原率低和还原率不稳定的缺点大大限制了该方法的应用。于志刚等[7]研究了添加NaCl和MgSO4(二者的质量比为6∶1)以消除锌-镉法测定硝酸盐时的盐误差，并指出在盐度为10 以上时还原率基本不变。本研究中设计试验海水盐分组成参考文献

还原反应适合于弱碱性环境中进行[15]，在酸性溶液中

可被部分还原为与亚硝酸盐测量无关的NO[16]。本试验结果表明，在添加NaCl和MgSO4(二者的质量比为6∶1)后另加入NaHCO3，还原率高于单纯加入NaCl和MgSO4组，且结果较稳定，盐度为25时锌-镉法的还原效果最佳。《海洋调查规范》中建议锌片面积为5 cm×3 cm，经对比试验，在25 mL溶液中加入5 cm×6 cm的锌卷要比加入5 cm×3 cm锌卷还原效果好，锌卷形状和容器器形的影响不明显。本研究中采用正交试验设计，综合考虑可能影响硝酸盐还原率的多个因素，并首次考察这些因素间的交互作用对还原率的影响，得出了最优测定条件：基质盐度为25，每升试验水中加入0.196 g NaHCO3，25 mL水中加入面积为5 cm×6 cm的锌片，将其卷成内径为1.5 cm的锌卷2个(层与层间均需留有空隙)，试验容器为60 mL柱状玻璃瓶并将锌卷充分没入溶液中，震荡频率为210 r/min，还原时间为12 min。

利用本试验的最优条件进行测定，得到的硝酸盐还原率较高且稳定，测定的精密度和回收率都较好，可以满足各种天然水体中硝酸盐的测定要求。

[1] Robertson W D,Ptacek C J,Brown S J.Geochemical and hydrogeological impacts of a wood particle barrier treating nitrate and perchlorate in ground water[J].Ground Water Monitoring & Remediation,2007,27(2):85-95.

[2] Gibert O,Pomierny S,Rowe I,et al.Selection of organic substrates as potential reactive materials for use in a denitrification permeable reactive barrier (PRB)[J].Bioresource Technology,2008,99(16):7587-7596.

[3] 江曙光.中国水污染现状及防治对策[J].水产科技情报,2010,37(4)：177-181.

[4] 吴林键.梁滩河流域污染原因分析及改善措施探讨[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2011,30(3):456-461.

[5] Kim R H,Lee J,Chang H.Characteristics of organic matter as indicators of pollution from small-scale livestock and nitrate contamination of shallow groundwater in an agricultural area[J].Hydrological Processes,2003,17(12):2485-2496.

[6] 中国国家标准化管理委员会.GB/T12763.4—2007海洋调查规范[S].北京:中国标准出版社,2007.

[7] 于志刚,姚庆祯,张经.锌-镉法测定天然水中硝酸盐的盐误差及其解决方法[J].理化检验(化学分册),1998,34(11):496-497.

[8] 张勇，程祥圣，吴月英，等.锌-镉还原-分光光度法测定地表水中硝酸盐[J].理化检验(化学分册),2008,44(2):139-141.

[9] 金明明,唐仁友,陈建芳，等.锌镉还原法测量海水硝酸盐中锌卷的形状和面积[J].极地研究,2003,15(4):261-266.

[10] 姚庆祯,范燕,谭加强,等.超声波锌(卷)-镉法测定天然水中硝酸盐[J].海洋科学,1999(6):11-13.

[11] 明道绪.生物统计附试验设计[M].北京：中国农业出版社,2007.

[12] 金明明,唐仁友.锌镉还原法的海水硝酸盐浓度[J].海水环境科学,2002,21(2):50-56.

[13] 邢殿楼,王丽,杨凤,等.用改进的高碘酸钾氧化分光光度法测定海水中的Mn(II)[J].大连水产学院学报,2008,23(6):442-445.

[14] Grasshoff K,Kremling K,Eharahardt M.Methods of Seawater Analysis[M].3rd ed.Weinheim:Wiley-VCH,1999.

[15] Horne R A.海洋化学：水的结构与水圈的化学[M].厦门大学海洋系，译.北京:科学出版社,1976:328-333.

[16] Grasshoff K.Zur bestimmung von nitrat in Meer-und Trinkwasser[J].Kieler Meeresforschungen,1964,20(1):5-11.

Conditionsoptimizationofnitratedetectioninnaturalwaterbyzinccadmiumreductionmethod

(1.College of Marine Science and Engineering, Qingdao Agriculture University, Qingdao 266109，China；2. Key Laboratory for Sustainable Utilization of Marine Fishery Resources, Ministry of Agriculture, Shandong Provincial Key Laboratory of Fishery Resources and Ecological Environment, Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071， China)

Abstract：Effects of six primary factors including matrix salinity, salt composition, zinc sheet area, zinc volume, shape of container and pH on of detection of nitrate in natural water by zinc cadmium reduction method were studied to optimize the detection conditions, and the interactions between salt composition and pH, as well as zinc sheet area and zinc volume were investigated by orthogonalL16(41× 212) test. The results showed that the order of the effect levels of these factors were successively ranged as matrix salinity > salt composition > zinc sheet area > pH > container shape > zinc volume shape, significant differences by matrix salinity, salt composition and zinc sheet area. The optimal nitrate determination in natural water by zinc - cadmium method was observed under conditions of oscillation frequency 210 r/min, 12 minute reduction, salinity 25, NaHCO30.196 g/L and zinc sheet size of 5 cm×6 cm. Under the above conditions, a higher and more stable reduction rate with better method's precision and recovery efficiency could be obtained.

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD13B02)；国家海洋局海洋公益性行业科研专项(201205031)；黄海水产研究所基本科研业务费(20603022013005)

通信作者：毛玉泽(1969—)，男，博士，研究员。E-mail:maoyz@ysfri.ac.cn