土壤硝酸盐中15N同位素测定前处理自动化辅助装置设计和验证

随着稳定同位素质谱技术在土壤氮循环研究中的广泛应用,氮稳定同位素分析对样品前处理方法提出了更高要求,而合适的样品处理方法是确保分析结果准确可靠的关键。设计开发1种适用于土壤微量硝酸盐中氮稳定同位素分析前处理辅助装置,将基于光电感应装置的自动进样系统与注液、抽真空-气体置换系统相融合,将原前处理方法中液体试剂注入,反应体系抽真空及氦气置换等人为操作过程改为自动化处理环节。系统测试结果表明:该套辅助装置具有良好的自动抽真空、注气和加液重复性。装置抽真空系统的真空度绝对误差可控制在0.5 Pa以内,气体注入体积绝对误差可控制在0.2 mL以内,而注液系统的注液体积绝对误差也可控制在0.1 mL以内,变异系数(CV)均小于1%。使用标准参比样品测试整套系统的准确度和精密度,所有测试样品均获得了较好的准确度和精密度,CV<1%。研制的装置结合痕量气体预浓缩装置—稳定同位素质谱(PreCon-IRMS)联用仪,可以建立方便快捷的低样品量下硝酸盐中15 N同位素质谱检测方法,可为土壤氮循环过程研究提供关键技术支撑。

^(15)N同位素示踪计算方法的改进

本研究针对目前15N同位素示踪研究中试验设计、结果计算与分析等方面存在的计算问题,根据氮素在生物体内的运输代谢规律,结合化学和同位素理论,在标记物用量、全氮结果以及Ndff(Nitrogen derived from fertilizer)的计算方法与采用N素量纲的关系等方面进行理论分析,提出氮量以mol为量纲的计算方法,消除由于计算方法本身引起的误差,为更准确规范地利用15N同位素示踪技术进行相关领域的研究提供理论指导。

微生物发酵法批量制备高丰度^(15)N同位素标记L-精氨酸

采用均匀设计实验方法建立5L罐发酵生产L-精氨酸-^(15)N_4的优化调控模型。在菌体生长24h进入产酸阶段,控制转速820r/min,pH7.8,温度30℃,通气2.5L/min,流加总量60%的葡萄糖,理论产酸最高可达到22.49g/L,验证实验产酸19.69g/L,达到理论高值的88%。利用^(15)N丰度99.68%的尿素和丰度99.43%的硫酸铵发酵生产得到L-精氨酸-^(15)N_4的产品丰度为98.7%,化学纯度为98.5%,丰度下降<1%。可以满足批量生产的要求。

植物氮同位素组成与其影响因子的关系研究进展

植物氮同位素组成(δ15 N)能够综合反映氮循环特征,研究植物δ15 N与其影响因子的关系,有助于理解气候变化对生态系统氮循环的影响。通过概述菌根类型、叶片N含量、氮源、温度、降水、大气CO2浓度、土壤N有效性等生物和非生物因素对植物氮同位素组成(δ15 N)的影响以及植物δ15 N随海拔的变化趋势,指出目前研究中存在的不足,提出在群落水平上,采用野外调查和控制试验相结合的方法,研究环境因素(尤其是大气CO2浓度)对植物δ15 N的影响规律及机理将是今后该领域的研究重点。

连续施用不同量污泥堆肥对土壤氮组分及δ^(15)N的影响

为探明连续施用无害化污泥堆肥(以下简称堆肥)对土壤全氮(TN)、不同活性氮组分含量及土壤δ^(15)N的影响,为堆肥改良和培肥沙质潮土提供理论依据。本研究以河南省小麦-玉米轮作区沙质潮土为研究对象,通过2013-2016年田间连续定位试验,基于不同土壤活性氮组分分组技术和氮稳定性同位素技术,分析土壤活性氮组分和土壤δ^(15)N对堆肥施入量的响应特征。结果表明,1)连续施用堆肥显著增加了土壤碳氮含量,随施入量增加而显著增加,其中施堆肥量达45t·hm-2时效果最为显著,较单施化肥(CK)处理分别增加了265.83%和284.31%(P<0.05)。施用堆肥可以提高活性有机氮组分含量,其中颗粒态有机氮(PON)增加了104.57%~280.91%;处理间各活性氮组分含量呈现:颗粒态有机氮(PON)>轻组有机氮(LFON)>水溶性有机氮(DON)>微生物量氮(SMBN)。增加堆肥施入量提高了PON/TN和SMBN/TN分配比例,显著降低了LFON/TN和DON/TN分配比例(P<0.05),从而降低土壤活性氮组分在全氮中的分配比例,说明高堆肥施用量促进土壤氮素以稳定态有机氮形式储存,有利于土壤氮素的累积。2)施用堆肥显著降低了土壤δ^(15)N,通径分析和主成分分析表明,土壤δ^(15)N与土壤氮含量受堆肥施入量影响显著;相关性分析表明,δ^(15)N与土壤TN、PON和LFON含量呈显著相关性,表明土壤δ^(15)N变化特征可指示土壤氮组分受堆肥处理作用的响应。3)冗余分析表明,土壤pH、土壤水分及土壤肥力水平(IFI)均会对土壤氮组分含量、活性氮组分分配比例及δ^(15)N产生影响,其中对土壤IFI和土壤pH作用显著(P<0.05),解释率分别达48.2%和17.5%。综上可知,施用堆肥提高了土壤有机物含量,施用量达45t·hm-2时,显著提高了土壤氮储量和活性氮组分含量,对沙质潮土的培肥效果明显,同时,土壤稳定性同位素δ^(15)N变化特征可作为堆肥对沙质土壤质量提升效果的指示指标。

茶叶中多种氨基酸^(15)N同位素丰度的检测研究

建立了气相色谱-质谱联用(GC-MS)测定茶叶中丙氨酸、丝氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、茶氨酸、谷氨酰胺氨基酸同位素丰度的检测方法。茶叶样品经浸泡提取后,经N-甲基-N-(三甲基硅烷)三氟乙酰胺(MSTFA)进行衍生,在优化的色谱-质谱条件下,6种目标氨基酸衍生物均检出。验证了丙氨酸、丝氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、茶氨酸、谷氨酰胺的15 N同位素丰度在10%~98%内均可以被准确测定。建立的方法精密度优于0.6%,绝对偏差小于0.6%。所建立的方法样品前处理简单,同位素丰度检测准确,可满足茶叶中标记氨基酸同位素丰度检测,该方法也可推广至不同农作物中氨基酸同位素丰度的检测,为植物中氨基酸相关转化路径及代谢循环研究提供技术支持。

发酵优化制备L-赖氨酸盐酸盐-13C6、15N2

采用北京棒杆菌(Corynebacterium pekinense)ZLD118(HS-、AECr)发酵制备稳定同位素双标记的L-赖氨酸盐酸盐-13C6、15N2。对菌种的发酵培养条件和发酵培养基配方进行优化,采用优化后的发酵工艺制备高丰度稳定同位素13C、15N双标记L-赖氨酸,经离子交换树脂提纯、活性炭脱色精制后,产品的13C丰度达98.61%,15N丰度为98.15%,纯度为98.47%,产率为88.8%。结果表明,该工艺可进一步用于放大制备。

现代陆生植物碳同位素组成对气候变化的响应研究进展

植物组织的碳同位素组成(δ13C)能够记录气候变化的信息,因而被作为指示气候环境变化的一个重要代用指标,并广泛应用于全球变化研究。然而,气候环境变化引起的现代植物δ13C及其指示的气候环境意义的不确定性限制了植物δ13C在气候环境变化等领域研究中的应用。在概述植物碳同位素分馏和不同光合型植物碳同位素分布的基础上,综述了温度、降水、大气CO2浓度和海拔高度等气候环境因子对陆生植物δ13C的影响以及它们之间的关系,分析了植物δ13C对气候因子变化的响应机理。指出为更准确地认识气候历史,在利用植物碳同位素技术进行全球变化的研究过程中,需要突出C4植物δ13C对气候环境参数的响应研究,加强不同尺度植物δ13C的转换关系以及与相关学科的交叉渗透、探索与多种代用指标和科学方法的联合研究。

陆生植物氮同位素组成与气候环境变化研究进展

近年来,由于植物氮同位素组成(δ15N)记载了气候环境变化的信息,因而被广泛应用于全球变化研究中,成为古气候环境再造和了解现代气候环境变化信息的有力工具。然而,人们对气候环境引起的δ15N变化及其指示的气候环境意义并不完全清楚,这就有可能限制植物δ15N在古气候环境变化等领域研究中的应用。在概述植物氮同位素分馏和植物不同氮源的氮同位素分布的基础上,分析了温度、降水、大气CO2浓度和海拔高度等气候环境因子对陆生植物δ15N的影响以及它们的关系。指出了目前研究中存在的问题及其研究前景,认为在全球变化研究中利用植物氮同位素技术不仅可以重建古气候环境(如重建大气CO2浓度变化),揭示历史时期温度、降水的变化,而且还可以在一定的时间和空间上综合反映生态系统氮循环的特征。