化合物生物矿化的逆同位素标记分析法省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

化合物生物矿化逆同位素标识分析法

齐孟文中国农业大学第1页

评定有机化合物生物降解是地质与环境科学中一个常见问题。直接测定有机物降解消耗方法显然是不够准确，所以常采取同位素标识方法。有机物矿化研究中，通常是用13C标识底物，由直接测定矿化产生13CO2，以确定有机物降解过程和程度，然而普通讲有机物标识困难且成本昂贵，沉积物等介质中溶解有机物则根本无法标识，为此这里提出一个化合物矿化逆同位素标识分析法。第2页

1.基本原理化合物矿化逆同位素标识分析法原理是，在分析介质中加入13C-H2CO3标识溶解无机碳库（DIC=CO2（aq）+HCO3-+CO32-），则在封闭培养系统中，有机物降解终端产物CO2将在气相和液相分配，并稀释标识溶解无机碳库13C丰度，基于同位素稀释质量平衡原理能够求得矿化所产生CO2，进而得出有机物矿化过程，这是一个灵敏、简单和相对廉价测定有机物矿化方法。第3页图.化合物生物矿化逆同位素标识分析法

第4页图.连续流气体测定Gasbench-IRMS系统

第5页2.普通流程

底物（无碳酸盐）H213CO3+H2CO3(30mM，X13C～10%-55%）厌氧培养磷酸法DIC样品制备CG或gasbenchCG测定第6页

过程举例

1）培养试验

于250ml血清瓶盛装135ml无碳酸盐缓冲新鲜培养基，上盖并用CO2/N2（20/80，v/v）冲洗，然后将NaH13CO3和NaH12CO3灭菌原液（各1M）由瓶口丁基橡胶塞注入，调整使介质碳酸盐浓度为30mM，13C比率为10%-50%，然后注入底物，并接种母体培养基，于300C黑暗中培养。第7页

2）样品制备

对于GC-IRMS测量，从培养瓶中取出0.5ml液体样品，马上注入15ml预先盛有4.5ml无水H3PO4（1M）血清瓶，用丁基橡胶塞密封，氦气或氮气冲刷玻管顶空，加热板加热使利用酸化反应转化DIC成为CO2，在CO2（g）-CO2（aq））平衡后，取部分顶空气体进行测定。DIC浓度经过测定质量44峰有标准校正得到，

13CDIC由以下计量关系式进行计量。第8页

图.酸化样品产生CO2，用吸附除去CO2高纯氦气清扫，出口针连接到铜管开口端侵入水中，以预防大气中CO2倒流进入样品。

第9页

3）测试系统

ThermoFinnigan(不莱梅港市，德国,ThermoFisherScientific)GasBenchⅡ，配置着CTC自动进样器（CTCAnalyticsAG,Zwingen,Switzerland），和ConFloⅣ接口和一个DeltaⅤ质谱仪（也是ThermoFisherScientific）在ETH苏黎世（苏黎世，瑞士）。第10页3.计量关系

1）

13CDIC测量计量公式经H3PO4酸化溶解无机碳DIC转化成CO2（g）和CO2（aq），因为CO2在气液两相中分配，所以需将直接测量对象CO2（g）

13C，转变成DIC

13C，即

13CDIC。相关计量公式推导以下：

（1）

式中，Xg和（1-Xg）分别为CO2（g）和CO2（aq）摩尔分数。第11页CO2（g）和CO2（aq）之间同位素分馏系数定义为

（2）

由亨利定律CO2（aq）=

PCO2（g），有

（3）第12页

合并以上各式，最终有

（4）

第13页

式中，

是对CO2亨利方程常数，在绝对温度T=298.15K纯水系统为3.345×10-4mol.m-3.pa-1

，

13Cg-aq为1.07‰，在其它情况下

依赖于溶液中盐强度。由上式可见，修正关系还与Vg/Vl比值以及绝对温度T相关，通常因为缺乏

和

13Cg-aq数据，以上关系惯用溶解无机碳标准溶液进行校正，只要确保样品与标准Vg/Vl比值、盐强度和温度相同，则（1+Vg/（VlRT

））为常数，同时校正过程也包含了对测定过程可能同位素分馏校证，即使其改变幅度与降解过程本身引发标识同位素改变幅度往往能够忽略不计。第14页例题：在T=298.15K下，将1mlH2O+0.1mlH2PO4水溶液，注入12ml密封玻璃管，即Vg=10.9ml，Vl=1.1ml，则第15页

2）矿化CO2计量由质量和同位素守恒定律，有

（5）

（6）

式中，CT表示试验结束时系统总无机碳，CB为初始时系统背景总无机碳，CO2为有机化合物矿化所产生总二氧化氮，x是13C同位素丰度，角标T、B和P对应系统总、背景和矿化。

第16页又，背景值为初始时所测定溶解无机碳与顶空气相中CO2之和。

（7）

合并以上各式，最终得到有机化合物矿化所产生总二氧化碳为

（8）

其中，xp等于13C自然丰度，为1.1%。第17页

3）无机碳平衡计量设培养容器V=250ml，顶空含有20%CO2，即CO2分压0.2atm，对于t=250C，进行DIC平衡及品种计算，其平衡关系为

查表得t=250C时,亨利常数为第18页

则

又设