第一章 緒論
1.1 概述
在生態系中，氮對於生物體內蛋白質與胺基酸的合成扮演重大角色，因此氮 循環的研究佔有重要地位。水圈中以氮氣( N2 )含量最為豐富，但其穩定的鍵結型 態，僅能被少數生物利用，此外尚有有機、無機的氮化合物，其濃度約氮氣的十 分之一( Frank, 2006 )，無機氮化合物其氧化數橫跨+5 至-3，包含了硝酸根( NO3
¯ )、亞硝酸根( NO2¯ )、二氧化二氮( N2O2 )、一氧化二氮( N2O )、羥胺( NH2OH ) 和銨根( NH4+ )等( Riley and Chester, 1971 )，但僅有硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮是少 數可偵測到的無機氮物種( Head,1985 )。三個物種間的轉換，主要受到水體中生物 作用與氧化還原條件影響。當水中含氧量高時，某些細菌即可進行硝化作用，將 氨( NH3 )或銨根氧化成亞硝酸根或是硝酸根，反應式如下( Bianchi, 2007 )：
NH4+ + 3/2 O2 → NO2¯ + H2O + 2 H+ NO2¯ + 1/2 O2 → NO3¯
生物將銨根或硝酸根轉換為有機氮，而有機氮在缺氧環境中經過再生作用又能轉 變為銨根，如此循環不息。
本文著重於硝酸鹽的測定，其是分析海水、河川或其他水體的必測項目，可 用於研究氮循環和生物作用。在開放性的大洋中，硝酸鹽的垂直分佈型態：表層 測值極低，近乎於零；到了次表層後，含量則隨深度遞增，約在1000 m 時出現極 大值約40 μM，之後濃度值些微地向下遞減( Libes, 1992 )。而河川中硝酸鹽的濃度 範圍，以淡水河為例，濃度約在10-50 μM 不等( Liu et. al, 2007 )，因季節而有所差 異；至於河海交接處，因面臨持續不斷的物理混合作用，又有住家、工商業等廢 水的排入，使得氮物種間轉換快速，濃度變異極大，再加上鹽度落差大，影響許
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多物理化學特性，提高了河口環境的硝酸鹽測定的難度。
1.2 硝酸鹽測定方法的演進
目前硝酸鹽測定的方法可區分為直接測定與間接測定兩種模式。
直接測定硝酸鹽的方法可使用離子交換層析法( Small et al., 1975 )，或以 220 nm 與 275 nm 雙波長的紫外光光度計進行測量( Armstrong, 1963 )。上述的方法成 功地應用於淡水樣品，但對於分析海水樣本，其中眾多的離子會產生波譜進而干 擾測定。也有學者提出電極法( Langmuir and Jacobson, 1970 )、利用 uranyl 催化還 原 反 應 的 電 解 法 ， 或 是 使 有 機 物( brucine, diphenylbenzidine,… )(Jenkins and Medsker, 1964; Atkins, 1954 )先與硝酸鹽形成顯色複合物後，再進行測量。這些方 法易受到海水中氯離子的影響，靈敏度又不佳，或是操作方法不適用於船上現場 測定，使得直測的方法皆不受海洋學家的青睞。
間接測定的方法可以追溯至十九世紀後期，當時已普遍採用磺胺酸奈乙二胺 法分析亞硝酸鹽( Griess, 1879 )。於是海洋學家開始構思將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽 後，再進行亞硝酸鹽的呈色測定，此即硝酸鹽還原法的起源。
但究竟該選擇何種化合物來還原硝酸鹽呢？早期Mullin and Riley( 1955 )嘗試 用與硝酸鹽同質的聯氨( hydrazine )，將其配製於鹼性溶液中，再添加銅離子作為 催化劑，藉以還原硝酸鹽。但本配方反應耗時，十分依賴多項額外條件的控制，
且測值波動幅度很大，不易定量，雖有學者修改本方法，但還原率嚴重地受到溫 度影響，因此較少被採用。
異質性的還原化合物，大多以金屬來擔任，其反應方程式如下( Grasshoff, 1999 )：
NO3- + Me(s) + 2H+ → NO2- + Me++ + H2O
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最早 Føyn 於 1951 年挑選鋅粉組成還原管，但此方法樣本的事前處理步驟較為麻 煩，且容易受溫度影響，雖然Chow and Johnstone( 1962 )亦有研究，改將鋅粉配製 於氨的溶液中，並加入四價錳離子催化反應，但仍受溫度及其他因子影響，而難 有大幅度改善。在1960 年，由 Pötzl and Reiter 開啟了以金屬鎘作為還原媒介的紀 元，學者認為鎘在例行的海水硝酸鹽分析上有發展的潛力，這也從 Morris and Riley( 1963 )的研究中得了印證。鍍汞後的鎘粒在 0-35℃之間，幾乎克服溫度的干 擾，且不受海水中離子的影響；到了1967 年，由 Wood et al.提出以銅溶液來浸鍍 鎘，從此之後許多學者紛紛改以自動化程序來統一實驗條件( Grasshoff, 1970;
Stainton, 1974 )，增加鎘銅還原法的再現性。兩者的結合，成了今日海洋界廣泛使 用的以自動分析( Bubble-segmented flow automated analysis，簡稱 BFAA )方式的鎘 銅還原法。
本實驗室近年在鎘銅還原法的研究也大有斬獲，在製備還原管柱程序中，改 變硫酸銅浸鍍液的濃度，使得剛鍍銅的鎘管能快速達到穩定。自動分析這方面，
設計了無載流上樣，提升低濃度硝酸鹽分析的靈敏度，及解決載流與樣本之間介 面干擾的問題( 江, 2003 )；或是自製去氣泡裝置，減少樣本注入時轉動六向閥造成 的誤差( 謝, 2007 )。
1.3 硝酸鹽分析方法測定上的盲點
除了陸地與海洋，六Ο年代開始出現了統一的名詞-河口( estuary )，用以描述 介於陸地排出的淡水與開放性的海洋之間的半封閉水域 ( Hobbie, 2000 )。河口受 到河水、潮汐與波浪的持續作用，在複雜的動態混合環境中，擁有豐富的生物多 樣性，故河口科學逐漸受到重視，而硝酸鹽便成為河口環境的生地化整合性研究 中，營養鹽測定的重點項目之一。
早期學者研究方向大多放在如何消除海水中離子的影響，藉由逐步的改良方 法，達到測定海水中硝酸鹽的目標。現今公認鎘銅還原法為最適用於分析海水及
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淡水中的硝酸鹽，但對於河口環境樣本的適用性，卻少有人關注與討論，由於感 潮帶的水樣有幾個特點：濃度變化大、濁度高和鹽度差異大，鹽差效應又會影響 水體的物理化學特性，如離子強度、酸鹼值、氧化還原電位和緩衝能力等，基於 上述的各點，同時測定廣鹽性( Salinity 0~35 )的水樣，鎘銅還原法是否會受到鹽度 差異的影響，鮮少有論文提及，江( unpublished )曾提及鎘銅管還原率受鹽度影響，
參考圖1.1，但是還原管再現性仍不近完美，單憑一次測試無法驟下定論，鹽度是 否干擾鎘銅還原法分析硝酸鹽仍須驗證，倘若鹽度真的會影響測定方法，其影響 的程度能否量化，再藉由修正公式回推真實濃度？實在是感潮帶樣水中硝酸鹽測 定的當前議題。
1.4 研究目標
為了能準確測定河口環境中的硝酸鹽，本研究期望達成以下目標：
( 1 ) 確認鎘銅還原法測定硝酸鹽的鹽度干擾。
( 2 ) 尋找最不受干擾的條件。
( 3 ) 訂立修正公式，並實測樣本驗證。
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圖1.1 以 CuSO4 coating 鎘絲的鎘銅還原管在不同鹽度下之還原率。本圖摘錄自 江未發表之實驗報告。
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