EGTA滴定法测定海水Ca2+浓度精度评估及其在近海海域实测的必要性

张 锗,边海珍,任宏伟,胡玉斌

(山东大学海洋研究院,山东 青岛 266237)

海洋作为CO2的巨大储存库,吸收了约30%人类活动排放的CO2[1],导致海洋酸化[2-4]。海水pH降低的同时,海水中碳酸钙(CaCO3)饱和度随之降低[5],对钙化生物生理、生长发育和生存产生影响[6]。因此,通常用pH和碳酸钙饱和度(Ω),尤其是文石饱和度(Ωarag)来评估海洋酸化及其对钙化生物的影响。

Ca2+是海水6种主要常量成分之一,其浓度仅次于Na+和Mg2+,在大洋表层海水保守性较好[7]。但与其他保守离子相比,在具有复杂生物地球化学过程特征的河口区、近海养殖区域Ca2+的保守性较差[8-9]。以往海水Ca2+浓度大多通过海水盐度估算(认为不同盐度海水中Ca2+浓度与盐度呈正比关系,当盐度为35时Ca2+浓度为10.282 mmol/kg[7]),进而计算海水的文石饱和度(Ωarag)。但在近海海域,受更多因素的影响,海水中Ca2+浓度与盐度可能偏离理论钙盐比值,直接通过钙盐比值估算近海海水Ca2+的浓度会导致酸化程度评估的偏差,而基于实测Ca2+浓度计算海水Ωarag的相关研究较少[10-14]。

自20世纪60年代开始,Ca2+浓度滴定方法一直在不断地改进和发展中[15-16]。早期通过指示剂目测判断滴定终点测定Ca2+浓度的方法人为误差较大,精度较低。之后采用EDTA(乙二胺四乙酸,C10H16N2O8)滴定法,但该方法也存在一定限制。例如,在利用EDTA滴定海水样品时,EDTA除了能够螯合Ca2+外,对Mg2+也存在亲和性,进而影响Ca2+测定结果[17]。

近年来,以EGTA(3,6-二氧杂-1,8-辛二胺四乙酸,C14H24N2O10)作为络合滴定剂测定海水Ca2+浓度的方法已被广泛接受[18-19]。EGTA是一种氨基多羧酸螯合剂,与EDTA相比,EGTA对Mg2+的亲和性弱,对Ca2+更具选择性,适用于海水及含盐量高的水中Ca2+浓度的滴定。早期EGTA方法主要通过人工配置Ca2+标准溶液进行测定,操作繁琐,受不同实验人员的影响,可能存在人为误差,进而导致测定结果偏离真实值[15]。此后,张伟等对自动电位滴定法测定海水中Ca2+浓度的工作条件(滴定模式、EGTA预滴加体积、加液量和测量点密度等)进行实验优化,但并未对样品“盐效应”问题进行评估[16]。

本研究以四硼酸钠缓冲溶液调节pH,络合试剂EGTA为滴定剂,通过Ca2+选择性电极作为指示电极,开展了不同盐度梯度海水Ca2+浓度的测定研究。对方法的精度和准确度进行了评估,同时通过超纯水与西北太平洋表层海水不同比例混合,探究“盐效应”对Ca2+浓度测定可能存在的影响。最后通过测定近海养殖区海水验证实测Ca2+浓度的必要性。

1 材料与方法

EGTA溶液(10 mmol/L)：称取3.8 g EGTA溶于30 mL NaOH溶液(浓度为1 mol/L)中,加水至1 000 g。EGTA的浓度通过国家海洋标准计量中心标准海水(Batch D190,盐度为34.99)进行标定,其理论Ca2+浓度通过盐度与Ca2+的恒定比例关系计算所得(盐度为35.00时,海水Ca2+浓度为10.282 mmol/kg[7])。

四硼酸钠缓冲溶液(0.05 mol/L)：称20 g四硼酸钠溶于80 mL的NaOH溶液(浓度为1 mol/L)中,加水至1 000 g。

海水样品中Ca2+浓度测定方法如下：使用千分位电子分析天平准确称取15 g左右海水样品于50 mL塑料小烧杯中,加入磁搅拌子,插入Ca2+选择性电极(7321Ca型,Hanon),开启搅拌后预加3 mL四硼酸钠缓冲溶液,利用自动电位滴定仪(T960,Hanon)滴加EGTA并记录电位变化,使用二阶微商法确定滴定终点,计算公式如下[19]：

(1)

式(1)中：CCa为海水钙离子的浓度(mmol/kg),VEGTA为滴定终点EGTA消耗的体积(mL),CEGTA为EGTA的浓度(mmol/L),m为样品的质量(g)。

为了比较样品的实测与估算的Ca2+浓度的差异,探讨海水样品实测Ca2+浓度的必要性,根据海水实测盐度计算了海水样品Ca2+浓度(CCa-c),计算公式如下[7]：

CCa-c=SM×(CCa-35/35)

(2)

式(2)中：SM代表实测盐度值,CCa-35代表盐度为35的海水Ca2+浓度理论值(CCa-35=10.282 mmol/kg)。

为评估近海海水Ca2+非保守行为及其控制过程,定义实测的Ca2+浓度与通过盐度计算获得的理论Ca2+浓度的差值为超额钙(CCa-e,单位为mmol/kg)[20]：

CCa-e=CCa-m-CCa-c

(3)

式(3)中：CCa-m为实测Ca2+浓度。

为探究“盐效应”对Ca2+测定的可能影响,以西太平洋表层海水(S= 34.62,采自20°N,150°E)为母液,通过重量法将其准确稀释到盐度为32.00、30.00、25.00和20.00的样品,钙离子浓度也同步被稀释,每组盐度海水样品平行测定5次。

为了评估近海海域Ca2+浓度测定的必要性,对山东省烟台市牟平海洋牧场设置采样点开展调查。调查时间为2019年夏季6月份(养殖季节),共设3个站位(A、B和C),每个站位取表底两层海水样品到125 mL 高密度聚乙烯瓶中(Nalgene)。其中,表层海水样品在水面下约2 m处采集,底层海水样品在距离海底约1 m处采集。盐度通过多参数水质分析仪(Seabird)现场测定,盐度测定精度为 ±0.01。调查范围及站位分布如图1所示。

图1 调查区域和站位分布Fig.1 Area and sampling stations for investigation

2 结果与讨论

2.1 EGTA全自动滴定测量Ca2+浓度的精度评估

不同盐度海水样品中Ca2+浓度的测定结果及标准偏差如表1所示。在盐度20.00～34.62范围内,Ca2+浓度实测值为5.871～10.171 mmol/kg,5次平行测定的标准偏差为0.001～0.006 mmol/kg,精度均优于0.1%,表明该测定方法对不同盐度的海水样品具有一致的稳定精度。

表1 不同盐度海水样品中Ca2+的浓度Tab.1 Measured Ca2+ concentration in seawaters with different salinities

2.2 测定方法准确度及“盐效应”

对采自西太平洋表层海水稀释成不同盐度的海水样品后,用EGTA全自动滴定方法实测的Ca2+浓度与计算的理论Ca2+浓度值的结果如表1所示。在盐度20.00～34.62范围内,Ca2+的实测值与计算值绝对误差范围为-0.004～0.001 mmol/kg,控制在±0.005 mmol/kg内;相对误差范围为-0.043%～0.023%,控制在±0.05%内。为进一步验证方法的可靠性,对IAPSO标准海水(Batch P154,盐度为35.00)同样进行5次平行测定,其测定值为10.278±0.001 mmol/kg,与其理论计算值的绝对误差为-0.003 mmol/kg,相对误差仅为0.029%。此外,标准海水盐度值不确定性在± 0.001,对钙离子理论值的计算所带来的不确定性低于0.003%。因此,国家海洋标准计量中心标准海水和IAPSO标准海水均可作为一级标准溶液用于EGTA滴定剂浓度的标定,大洋表层海水可作为二级标准溶液进行样品测定过程的质量控制。

不同盐度的海水样品的实测值与计算值十分吻合,这表明了EGTA自动电位滴定法测定海水中Ca2+浓度时不存在“盐效应”问题。因此,可通过单一盐度标准海水对钙离子电极进行标定,进而测定不同盐度海水样品的Ca2+浓度。

2.3 近海养殖海域超额钙及其成因

对牟平海洋牧场海水Ca2+浓度的测定值及其估算值如表2所示。表层海水的温度范围为21.09～22.63 ℃,底层海水的温度范围为15.53～17.03 ℃。表层海水的盐度范围为30.95～31.17,底层海水的盐度范围为31.19～31.32,海水温度和盐度整体变化不大。这与李成龙和杨波在牟平海洋牧场的调查研究结果一致[21-22]。3个站位表层海水盐度和Ca2+浓度均低于底层,表底层Ca2+浓度出现了差异,可能是由于夏季水体分层所致。

表2 夏季牟平海洋牧场海水的Ca2+浓度Tab.2 Ca2+ concentration in Muping Marine Ranching in summer

3个站位表层海水平均实测Ca2+浓度为9.480 mmol/kg,而通过钙盐比值计算所得的Ca2+浓度为9.120 mmol/kg,可见,实测值与估算值相差较大,表层海水CCa-e为0.360 mmol/kg;底层海水平均实测Ca2+浓度为9.522 mmol/kg,计算的Ca2+浓度为9.189 mmol/kg,底层海水CCa-e为0.333 mmol/kg。牟平海洋牧场养殖生物(主要是扇贝)的钙化作用会降低Ca2+的浓度,理论上将导致实测值低于按钙盐比值给出的计算值(CCa-e<0)。但结果显示,3个站位表底海水Ca2+浓度的实测值均比按理论钙盐比值给出的计算值高(CCa-e>0)。考虑到河流输入和近海海水混合过程,对海水CCa与盐度(S)进行相关性分析(图2)。海水实测CCa-S曲线高于保守曲线通过钙盐比值计算,表明确实存在超额钙的形成过程。实测海水Ca2+浓度与S具有显著正相关性(r= 0.84;P= 0.0104),表明Ca2+浓度的分布与S有关。随着S的降低,实测CCa-S曲线与保守曲线偏离程度变大。表明陆源输入过程对超额钙的形成发挥着重要作用,这与祁第在长江口的调查研究结果一致[18]。

图2 牟平海洋牧场海水Ca2+浓度与盐度的相关性分析Fig.2 Correlation analysis between Ca2+ concentration and salinity in Muping Marine Ranching两条虚线代表拟合值均值在95 %置信度下的置信区间。

综上所述,陆源输入过程是导致近海海域Ca2+浓度正偏离基于钙盐比值计算所得浓度的重要因素。若直接通过钙盐比值估算近海海水Ca2+的浓度进而计算海水Ωarag可能会导致酸化程度评估的偏差,因此近海海水实测Ca2+浓度是十分必要的。

3 结论

本研究对EGTA谪定法测定不同盐度海水Ca2+浓度的测定精度和准确度进行了评估,同时探究“盐效应”对Ca2+测定可能存在的影响。结果表明：

(1)EGTA谪定法测定海水Ca2+浓度的测定准确度和精度均可控制在± 0.1%内。

(2)国家海洋标准计量中心标准海水和IAPSO标准海水均可作为一级标准溶液用于EGTA法测定Ca2+浓度的标定,大洋表层海水可作为二级标准进行样品测定过程的质量控制。

(3) 不同盐度海水样品Ca2+浓度的实测值与理论值基本吻合,电位滴定法测定Ca2+浓度不存在“盐效应”问题。

(4) 受陆源输入的影响,近海海水Ca2+的实测值高于按钙盐比估算的计算值,仅通过钙盐比估算Ca2+浓度可能难以评估近海酸化程度。