新闻热点

湖库水体溶解甲烷测定方法取得进展

  甲烷是一种重要的温室气体,其温室效应是二氧化碳的21-23倍,对全球温室效应的贡献达到了30%。湖库是大气甲烷的重要来源,定量测定湖库水体溶解甲烷浓度对研究碳循环以及估算全球甲烷收支具有重要意义。 

  传统测定水体甲烷浓度的主要方法是顶空气相色谱法(HGC),该方法无法直接测定水中溶解甲烷的浓度,需要复杂的预处理过程,而且对人的操作要求较高,费时费力。本研究介绍了一种更为快速,简便且精度高的水体溶解甲烷测定方法——膜进样质谱法(MIMS)。作为一种相对较新的测量水中溶解气体的方法, MIMS以其高精度、方便和高效而备受关注,但该技术尚未普遍用于环境水样甲烷的测定。 

  在国家自然科学基金的资助下,中国科学院南京地理与湖泊研究所朱广伟研究员团队建立了利用MIMS测定水体溶解甲烷浓度的方法,并从大型浅水湖泊太湖采集了水样,利用MIMS和传统的HGC法测定水中溶解甲烷的浓度,对这两种方法的测定结果进行了对比分析。相关研究成果发表在国际期刊water上(https://doi.org/10.3390/w13192699),论文通讯作者为许海副研究员。 

  研究结果表明:在MIMS系统中,无论在低浓度范围还是在高浓度范围,甲烷标样的浓度值与电信号值均呈现显著的线性关系,表明MIMS在测定溶解甲烷浓度方面有极高的精度。同时,在三种不同的盐度下,标准曲线均达到了令人满意的精度,说明MIMS可以适用于不同盐度水体甲烷的测定。 

图1 甲烷浓度与信号值的关系。左图表示在20℃和不同盐度(0、15和30)下,以低标样甲烷浓度为横坐标,以MIMS所测得的信号值为纵坐标的拟合曲线。黑色、红色和蓝色曲线分别表示盐度为0、15和30时的拟合曲线。右图为20℃下高甲烷浓度的拟合曲线

  为了确定MIMS方法是否可靠,研究人员将MIMS测定结果与HGC的测定结果进行了对比分析。在大型浅水湖泊—太湖中选择了29个采样点位,分别用MIMSHGC测定了表层水溶解甲烷的浓度。结果发现,太湖表层水溶解甲烷浓度空间差异非常大,其浓度范围为0.020.70 μmol/L(图2a)。总体而言,利用MIMS测定的结果与HGC测定的结果一致,线性关系非常显著(图2b)。 

图2 MIMS和HGC测定甲烷浓度方法比较。左图表示GC和MIMS之间的差异,右图表示GC和MIMS之间的拟合曲线 

  对于MIMS方法,取样装置非常简单,每个样品仅需12 mL水。使用HGC采集样品时,为了保障水体溶解甲烷与顶空部分达到溶解平衡,至少需要摇晃5分,而使用MIMS法无需顶空,每个样品的采集在30秒内就能完成。室内使用HGC法测定每个样品大约需要5分钟,而使用MIMS法只需要不到2分钟的时间,这大大提高了样品测定的效率。此外,由于MIMS信号值对甲烷浓度变化的响应十分快,可用于实时监测水体甲烷浓度,这是HGC法无法实现的。该方法的建立对湖库甲烷动态的研究具有重要意义。