EGTA滴定法測定海水Ca2+濃度精度評估及其在近海海域實測的必要性

張 鍺,邊海珍,任宏偉,胡玉斌

(山東大學海洋研究院,山東 青島 266237)

海洋作為CO2的巨大儲存庫,吸收了約30%人類活動排放的CO2[1],導致海洋酸化[2-4]。海水pH降低的同時,海水中碳酸鈣(CaCO3)飽和度隨之降低[5],對鈣化生物生理、生長發育和生存產生影響[6]。因此,通常用pH和碳酸鈣飽和度(Ω),尤其是文石飽和度(Ωarag)來評估海洋酸化及其對鈣化生物的影響。

Ca2+是海水6種主要常量成分之一,其濃度僅次于Na+和Mg2+,在大洋表層海水保守性較好[7]。但與其他保守離子相比,在具有復雜生物地球化學過程特征的河口區、近海養殖區域Ca2+的保守性較差[8-9]。以往海水Ca2+濃度大多通過海水鹽度估算(認為不同鹽度海水中Ca2+濃度與鹽度呈正比關系,當鹽度為35時Ca2+濃度為10.282 mmol/kg[7]),進而計算海水的文石飽和度(Ωarag)。但在近海海域,受更多因素的影響,海水中Ca2+濃度與鹽度可能偏離理論鈣鹽比值,直接通過鈣鹽比值估算近海海水Ca2+的濃度會導致酸化程度評估的偏差,而基于實測Ca2+濃度計算海水Ωarag的相關研究較少[10-14]。

自20世紀60年代開始,Ca2+濃度滴定方法一直在不斷地改進和發展中[15-16]。早期通過指示劑目測判斷滴定終點測定Ca2+濃度的方法人為誤差較大,精度較低。之后采用EDTA(乙二胺四乙酸,C10H16N2O8)滴定法,但該方法也存在一定限制。例如,在利用EDTA滴定海水樣品時,EDTA除了能夠螯合Ca2+外,對Mg2+也存在親和性,進而影響Ca2+測定結果[17]。

近年來,以EGTA(3,6-二氧雜-1,8-辛二胺四乙酸,C14H24N2O10)作為絡合滴定劑測定海水Ca2+濃度的方法已被廣泛接受[18-19]。EGTA是一種氨基多羧酸螯合劑,與EDTA相比,EGTA對Mg2+的親和性弱,對Ca2+更具選擇性,適用于海水及含鹽量高的水中Ca2+濃度的滴定。早期EGTA方法主要通過人工配置Ca2+標準溶液進行測定,操作繁瑣,受不同實驗人員的影響,可能存在人為誤差,進而導致測定結果偏離真實值[15]。此后,張偉等對自動電位滴定法測定海水中Ca2+濃度的工作條件(滴定模式、EGTA預滴加體積、加液量和測量點密度等)進行實驗優化,但并未對樣品“鹽效應”問題進行評估[16]。

本研究以四硼酸鈉緩沖溶液調節pH,絡合試劑EGTA為滴定劑,通過Ca2+選擇性電極作為指示電極,開展了不同鹽度梯度海水Ca2+濃度的測定研究。對方法的精度和準確度進行了評估,同時通過超純水與西北太平洋表層海水不同比例混合,探究“鹽效應”對Ca2+濃度測定可能存在的影響。最后通過測定近海養殖區海水驗證實測Ca2+濃度的必要性。

1 材料與方法

EGTA溶液(10 mmol/L)：稱取3.8 g EGTA溶于30 mL NaOH溶液(濃度為1 mol/L)中,加水至1 000 g。EGTA的濃度通過國家海洋標準計量中心標準海水(Batch D190,鹽度為34.99)進行標定,其理論Ca2+濃度通過鹽度與Ca2+的恒定比例關系計算所得(鹽度為35.00時,海水Ca2+濃度為10.282 mmol/kg[7])。

四硼酸鈉緩沖溶液(0.05 mol/L)：稱20 g四硼酸鈉溶于80 mL的NaOH溶液(濃度為1 mol/L)中,加水至1 000 g。

海水樣品中Ca2+濃度測定方法如下：使用千分位電子分析天平準確稱取15 g左右海水樣品于50 mL塑料小燒杯中,加入磁攪拌子,插入Ca2+選擇性電極(7321Ca型,Hanon),開啟攪拌后預加3 mL四硼酸鈉緩沖溶液,利用自動電位滴定儀(T960,Hanon)滴加EGTA并記錄電位變化,使用二階微商法確定滴定終點,計算公式如下[19]：

(1)

式(1)中：CCa為海水鈣離子的濃度(mmol/kg),VEGTA為滴定終點EGTA消耗的體積(mL),CEGTA為EGTA的濃度(mmol/L),m為樣品的質量(g)。

為了比較樣品的實測與估算的Ca2+濃度的差異,探討海水樣品實測Ca2+濃度的必要性,根據海水實測鹽度計算了海水樣品Ca2+濃度(CCa-c),計算公式如下[7]：

CCa-c=SM×(CCa-35/35)

(2)

式(2)中：SM代表實測鹽度值,CCa-35代表鹽度為35的海水Ca2+濃度理論值(CCa-35=10.282 mmol/kg)。

為評估近海海水Ca2+非保守行為及其控制過程,定義實測的Ca2+濃度與通過鹽度計算獲得的理論Ca2+濃度的差值為超額鈣(CCa-e,單位為mmol/kg)[20]：

CCa-e=CCa-m-CCa-c

(3)

式(3)中：CCa-m為實測Ca2+濃度。

為探究“鹽效應”對Ca2+測定的可能影響,以西太平洋表層海水(S= 34.62,采自20°N,150°E)為母液,通過重量法將其準確稀釋到鹽度為32.00、30.00、25.00和20.00的樣品,鈣離子濃度也同步被稀釋,每組鹽度海水樣品平行測定5次。

為了評估近海海域Ca2+濃度測定的必要性,對山東省煙臺市牟平海洋牧場設置采樣點開展調查。調查時間為2019年夏季6月份(養殖季節),共設3個站位(A、B和C),每個站位取表底兩層海水樣品到125 mL 高密度聚乙烯瓶中(Nalgene)。其中,表層海水樣品在水面下約2 m處采集,底層海水樣品在距離海底約1 m處采集。鹽度通過多參數水質分析儀(Seabird)現場測定,鹽度測定精度為 ±0.01。調查范圍及站位分布如圖1所示。

圖1 調查區域和站位分布Fig.1 Area and sampling stations for investigation

2 結果與討論

2.1 EGTA全自動滴定測量Ca2+濃度的精度評估

不同鹽度海水樣品中Ca2+濃度的測定結果及標準偏差如表1所示。在鹽度20.00～34.62范圍內,Ca2+濃度實測值為5.871～10.171 mmol/kg,5次平行測定的標準偏差為0.001～0.006 mmol/kg,精度均優于0.1%,表明該測定方法對不同鹽度的海水樣品具有一致的穩定精度。

表1 不同鹽度海水樣品中Ca2+的濃度Tab.1 Measured Ca2+ concentration in seawaters with different salinities

2.2 測定方法準確度及“鹽效應”

對采自西太平洋表層海水稀釋成不同鹽度的海水樣品后,用EGTA全自動滴定方法實測的Ca2+濃度與計算的理論Ca2+濃度值的結果如表1所示。在鹽度20.00～34.62范圍內,Ca2+的實測值與計算值絕對誤差范圍為-0.004～0.001 mmol/kg,控制在±0.005 mmol/kg內;相對誤差范圍為-0.043%～0.023%,控制在±0.05%內。為進一步驗證方法的可靠性,對IAPSO標準海水(Batch P154,鹽度為35.00)同樣進行5次平行測定,其測定值為10.278±0.001 mmol/kg,與其理論計算值的絕對誤差為-0.003 mmol/kg,相對誤差僅為0.029%。此外,標準海水鹽度值不確定性在± 0.001,對鈣離子理論值的計算所帶來的不確定性低于0.003%。因此,國家海洋標準計量中心標準海水和IAPSO標準海水均可作為一級標準溶液用于EGTA滴定劑濃度的標定,大洋表層海水可作為二級標準溶液進行樣品測定過程的質量控制。

不同鹽度的海水樣品的實測值與計算值十分吻合,這表明了EGTA自動電位滴定法測定海水中Ca2+濃度時不存在“鹽效應”問題。因此,可通過單一鹽度標準海水對鈣離子電極進行標定,進而測定不同鹽度海水樣品的Ca2+濃度。

2.3 近海養殖海域超額鈣及其成因

對牟平海洋牧場海水Ca2+濃度的測定值及其估算值如表2所示。表層海水的溫度范圍為21.09～22.63 ℃,底層海水的溫度范圍為15.53～17.03 ℃。表層海水的鹽度范圍為30.95～31.17,底層海水的鹽度范圍為31.19～31.32,海水溫度和鹽度整體變化不大。這與李成龍和楊波在牟平海洋牧場的調查研究結果一致[21-22]。3個站位表層海水鹽度和Ca2+濃度均低于底層,表底層Ca2+濃度出現了差異,可能是由于夏季水體分層所致。

表2 夏季牟平海洋牧場海水的Ca2+濃度Tab.2 Ca2+ concentration in Muping Marine Ranching in summer

3個站位表層海水平均實測Ca2+濃度為9.480 mmol/kg,而通過鈣鹽比值計算所得的Ca2+濃度為9.120 mmol/kg,可見,實測值與估算值相差較大,表層海水CCa-e為0.360 mmol/kg;底層海水平均實測Ca2+濃度為9.522 mmol/kg,計算的Ca2+濃度為9.189 mmol/kg,底層海水CCa-e為0.333 mmol/kg。牟平海洋牧場養殖生物(主要是扇貝)的鈣化作用會降低Ca2+的濃度,理論上將導致實測值低于按鈣鹽比值給出的計算值(CCa-e<0)。但結果顯示,3個站位表底海水Ca2+濃度的實測值均比按理論鈣鹽比值給出的計算值高(CCa-e>0)?？紤]到河流輸入和近海海水混合過程,對海水CCa與鹽度(S)進行相關性分析(圖2)。海水實測CCa-S曲線高于保守曲線通過鈣鹽比值計算,表明確實存在超額鈣的形成過程。實測海水Ca2+濃度與S具有顯著正相關性(r= 0.84;P= 0.0104),表明Ca2+濃度的分布與S有關。隨著S的降低,實測CCa-S曲線與保守曲線偏離程度變大。表明陸源輸入過程對超額鈣的形成發揮著重要作用,這與祁第在長江口的調查研究結果一致[18]。

圖2 牟平海洋牧場海水Ca2+濃度與鹽度的相關性分析Fig.2 Correlation analysis between Ca2+ concentration and salinity in Muping Marine Ranching兩條虛線代表擬合值均值在95 %置信度下的置信區間。

綜上所述,陸源輸入過程是導致近海海域Ca2+濃度正偏離基于鈣鹽比值計算所得濃度的重要因素。若直接通過鈣鹽比值估算近海海水Ca2+的濃度進而計算海水Ωarag可能會導致酸化程度評估的偏差,因此近海海水實測Ca2+濃度是十分必要的。

3 結論

本研究對EGTA謫定法測定不同鹽度海水Ca2+濃度的測定精度和準確度進行了評估,同時探究“鹽效應”對Ca2+測定可能存在的影響。結果表明：

(1)EGTA謫定法測定海水Ca2+濃度的測定準確度和精度均可控制在± 0.1%內。

(2)國家海洋標準計量中心標準海水和IAPSO標準海水均可作為一級標準溶液用于EGTA法測定Ca2+濃度的標定,大洋表層海水可作為二級標準進行樣品測定過程的質量控制。

(3) 不同鹽度海水樣品Ca2+濃度的實測值與理論值基本吻合,電位滴定法測定Ca2+濃度不存在“鹽效應”問題。

(4) 受陸源輸入的影響,近海海水Ca2+的實測值高于按鈣鹽比估算的計算值,僅通過鈣鹽比估算Ca2+濃度可能難以評估近海酸化程度。