國際原子能機構與馬薩諸塞大學合作開發了一種追蹤湖泊、海洋和河流中氮污染來源的創新方法。核衍生分析工具提供了一種更便宜、更安全、更快捷的方法來確定水中過量的氮化合物是否來自農業、污水系統或工業,從而有助于預防和治理工作。氮作為地球上一種必不可少的豐富元素,是自20世紀中期以來廣泛用于農業的一種重要肥料。“水質方面的一個主要全球性問題是,我們幾十年來一直在田間過度施肥,無論是糞肥還是合成肥料,”原子能機構同位素水文學科負責人Leonard Wassenaar說。“所有這些營養物質,特別是硝酸鹽等各種氮形式,都滲入地下水,最終滲入河流、湖泊和溪流。”
過多的硝酸鹽會增加藻類的生長,從而導致湖泊表面出現有毒藻華。它們還會沉入湖底,滋生細菌,形成所謂的死區。“我們現在看到更多的魚類死亡,成千上萬的魚漂浮在水面上,因為湖底——魚類通常的棲息地——由于大量有機物質而缺氧,”Wassenaar說。
去除水中硝酸鹽非常困難且代價高昂,因此需要使用一些工具來了解氮的來源和途徑,以便更好地為水保護和治理工作提供信息。
發表在《質譜學快報》雜志上這種新方法,可測量水中硝酸鹽穩定同位素的數量和比例。氮有兩種具有不同重量的穩定同位素或不同原子形式。例如,由于在人體廢物與肥料中這種重量差是不同的,因此同位素可用于識別來源。
“同位素工具對于測量水中營養物質非常有用,”Wassenaar說,“但它們的使用受成本和可及性的限制,歷史上一直非常困難。這項新技術使科學家們能夠為大規模的研究提供更多的樣品,而且成本更低。我認為這是一個游戲改變者。”
新方法使用氯化鈦(一種鹽)的形式將水樣品中的硝酸鹽轉化為一氧化二氮氣體。從這種氣體中,同位素可以用質譜儀或激光等設備進行分析。目前的方法使用轉基因細菌或劇毒的金屬鎘進行一氧化二氮的轉化,這使得它們既費勁又昂貴,而且它們的使用僅限于一些非常專業的實驗室。
馬薩諸塞大學達特茅斯分校海洋科學與技術學院河口與海洋科學教授Mark Altabet說:“這是一種相對簡單的方法,而過去卻是一個非常復雜和昂貴的過程。”樣品分析的成本比過去減少了5到10倍,制備樣品只需幾分鐘。
Altabet計劃利用這種方法研究為控制美國東海岸河口長島灣污染所采取措施的影響,長島灣過去嚴重受過量硝酸鹽的影響。
原子能機構促進應用核技術和同位素技術來確定水源、年齡、質量和可持續性,以幫助各國更好地管理這一重要資源。