化合物生物礦化的逆同位素標(biāo)記分析法_第1頁
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文檔簡介

1、化合物生物礦化的逆同位素標(biāo)記分析法1 評估有機化合物的生物降解是地質(zhì)與環(huán)境科學(xué)中的一個常見問題。直接測定有機物降解消耗的方法顯然是不夠精確的,因此常采用同位素標(biāo)記的方法。有機物礦化的研究中,通常是用13C標(biāo)記底物,由直接測定礦化產(chǎn)生的13CO2,以確定有機物的降解過程和程度,然而一般講有機物標(biāo)記困難且成本昂貴,沉積物等介質(zhì)中的溶解有機物則根本無法標(biāo)記,為此這里提出一種化合物礦化的逆同位素標(biāo)記分析法。2 1.基本原理 化合物礦化的逆同位素標(biāo)記分析法的原理是,在分析介質(zhì)中加入13C-H2CO3標(biāo)記的溶解的無機碳庫(DIC=CO2(aq)+HCO3-+CO32-),則在封閉的培養(yǎng)系統(tǒng)中,有機物降解的

2、終端產(chǎn)物CO2將在氣相和液相分配,并稀釋標(biāo)記溶解無機碳庫的13C豐度,基于同位素稀釋質(zhì)量平衡原理可以求得礦化所產(chǎn)生的CO2,進(jìn)而得出有機物礦化過程,這是一種靈敏的、簡單的和相對廉價的測定有機物礦化的方法。3圖. 化合物生物礦化的逆同位素標(biāo)記分析法4圖.連續(xù)流氣體測定Gasbench-IRMS系統(tǒng)52.一般流程 底物(無碳酸鹽)H213CO3+H2CO3(30mM,X13C10%-55%)厭氧培養(yǎng)磷酸法DIC樣品制備CG或gasbenchCG測定6 過程舉例 1)培養(yǎng)實驗 于250ml血清瓶盛裝135ml無碳酸鹽緩沖的新鮮培養(yǎng)基,上蓋并用CO2/N2(20/80,v/v)沖洗,然后將NaH13C

3、O3和NaH12CO3 滅菌原液(各1M)由瓶口丁基橡膠塞注入,調(diào)節(jié)使介質(zhì)的碳酸鹽濃度為30mM,13C的比率為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)。7 2)樣品制備 對于GC-IRMS測量,從培養(yǎng)瓶中取出0.5ml的液體樣品,立即注入15ml預(yù)先盛有4.5ml無水H3PO4(1M)的血清瓶,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(jìn)行測定。DIC的濃度通過測定質(zhì)量44的峰有標(biāo)準(zhǔn)校正得到,13CDIC由以下計量關(guān)系式進(jìn)行計量。8圖.酸化樣品產(chǎn)生的CO2,用吸附除去

4、CO2的高純氦氣清掃,出口針連接到銅管的開口端侵入水中,以防止大氣中CO2倒流進(jìn)入樣品。9 3)測試系統(tǒng) ThermoFinnigan(不萊梅港市,德國,Thermo Fisher Scientific)GasBench ,配置著CTC自動進(jìn)樣器(CTC Analytics AG,Zwingen,Switzerland),和ConFlo接口和一個Delta質(zhì)譜儀(也是Thermo Fisher Scientific)在ETH蘇黎世(蘇黎世,瑞士)。10 3.計量關(guān)系 1)13CDIC測量計量公式 經(jīng)H3PO4酸化的溶解無機碳DIC轉(zhuǎn)化成CO2(g)和CO2(aq),由于CO2在氣液兩相中分配,

5、因此需將直接測量對象CO2(g)的13C,轉(zhuǎn)變成DIC的13C ,即13CDIC。相關(guān)計量公式推導(dǎo)如下: (1) 式中,Xg和(1-Xg)分別為 CO2(g)和CO2(aq)的摩爾分?jǐn)?shù)。11 CO2(g)和CO2(aq)之間的同位素分餾系數(shù)定義為 (2) 由亨利定律CO2(aq)=PCO2(g),有 (3)12 合并以上各式,最后有 (4)13 式中,是對CO2的亨利方程常數(shù),在絕對溫度T=298.15K的純水系統(tǒng)為3.34510-4mol.m-3.pa-1 ,13Cg-aq為1.07,在其它情況下依賴于溶液中鹽的強度。由上式可見,修正關(guān)系還與Vg/Vl的比值以及絕對溫度T有關(guān),通常因為缺少和

6、13Cg-aq 的數(shù)據(jù),以上關(guān)系常用溶解無機碳標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校正,只要保證樣品與標(biāo)準(zhǔn)的Vg/Vl 比值、鹽的強度和溫度相同,則(1+Vg/(VlRT)為常數(shù),同時校正過程也包括了對測定過程可能同位素分餾的校證,雖然其變化幅度與降解過程本身引起的標(biāo)記同位素變化幅度往往可以忽略不計。14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15 2)礦化CO2的計量 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)總的無機碳,CB為初始時的系統(tǒng)的背景總無機碳,CO2為有機化合物礦化所產(chǎn)生的

7、總二氧化氮,x是13C的同位素豐度,角標(biāo)T、B和P相應(yīng)系統(tǒng)總的、背景和礦化的。 16 又,背景值為初始時所測定的溶解無機碳與頂空氣相中的CO2之和。 (7) 合并以上各式,最終得到有機化合物礦化所產(chǎn)生的總二氧化碳為 (8) 其中,xp等于13C的自然豐度,為1.1%。17 3)無機碳平衡的計量 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(jìn)行DIC平衡及品種的計算,其平衡關(guān)系為 查表得t=250C時,亨利常數(shù)為18 則 又設(shè)PH=7.3,因為99%H2CO3以CO2(aq)的形式存在,因此19 由 有20 由 最終 ;21參考文獻(xiàn) 1.Monitoring Microbial Mineralization Using Reverse Stable Isotope Labeling Analysis by Mid-Infrared Laser Spectroscopy. Environmental Science & Technology, Environ. Sci. Technol.,2017,51(20), pp 1187611883 2.Improved method for isotopic and quan

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