化合物生物礦化的逆同位素標記分析法省公開課一等獎全國示范課微課金獎課件

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)大學第1頁

評定有機化合物生物降解是地質(zhì)與環(huán)境科學中一個常見問題。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。相關計量公式推導以下：

（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，修正關系還與Vg/Vl比值以及絕對溫度T相關，通常因為缺乏

和

13Cg-aq數(shù)據(jù)，以上關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，其平衡關系為

查表得t=250C時,亨利常數(shù)為第18頁

則

又設