傅里叶变换离子回旋共振质谱分子表征^(15)N同位素标记羟胺衍生化天然有机质

羟胺化合物是地球氮循环过程中的重要中间产物.天然有机质(NOM)作为环境中普遍存在的复杂有机混合物,对羟胺的环境转化有重要影响.本研究采用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICRMS)在分子层面表征羟胺与NOM的相互作用产物,采用^(15)N同位素标记羟胺作为反应物以排除NOM本身存在的化合物的质谱峰干扰,特异性识别^(15)N同位素标记羟胺衍生化NOM的质谱信号;同时考察了反应时间对NOM与羟胺反应活性的影响.结果表明,NOM与过量^(15)N同位素标记羟胺在室温条件反应下10 h,可以鉴定到2137个^(15)N同位素标记羟胺衍生化NOM产物分子式,其中包括,1个^(15)N同位素标记羟胺分子与1个仅含C、H、O元素的NOM分子反应形成的产物分子式1346个(CHO^(15)N_(1),约占产物分子式总数63%),两个^(15)N同位素标记羟胺分子与一个仅含C、H、O元素的NOM分子反应形成的产物分子式194个(CHO^(15)N_(2),约占产物分子式总数9%),一个^(15)N同位素标记羟胺分子与一个仅含C、H、O和一个S元素的NOM分子反应形成的产物分子式376个(CHOS1^(15)N_(1),约占产物分子式总数18%),一个^(15)N同位素标记羟胺分子与一个仅含C、H、O和一个N元素的NOM分子反应形成的产物分子式221个(CHON_(1)^(15)N_(1),约占产物分子式总数10%).这些羟胺衍生化NOM产物主要属于维管植物源多酚类和高不饱和酚类化合物,86%以上的产物很可能通过羟胺与NOM分子所含的羰基基团发生肟化反应形成.CHO^(15)N_(1)类产物的形成具有高度的时间依赖性,高氧化高饱和度的NOM化合物需要较长的反应时间才能形成羟胺衍生化NOM产物,表明此类化合物与羟胺的反应活性较弱;而低氧化高不饱和度的NOM化合物仅需要较短的时间便能形成羟胺衍生化产物,且随着反应时间延长,其中的部分化合物可以进一步生成多肟化产物或不稳定的其他产物,此结果表明这类NOM化合物对羟胺的反应活性较强.本研究采用FTICR-MS首次在分子水平全面表征了羟胺与FTICR-MS相互作用产物信息,可为羟胺在地球氮循环过程中的迁移转化机制研究提供全新视角和信息.

气相色谱-质谱联用法分析^(15)N标记精氨酸发酵液中的氨基酸组分及其同位素丰度

建立了精氨酸、赖氨酸、丝氨酸、缬氨酸、亮氨酸等15种氨基酸的气相色谱-质谱联用(GC-MS)检测方法。以硅烷化试剂N-甲基-N-(三甲基硅烷)三氟乙酰胺(MSTFA)为衍生化试剂对氨基酸进行衍生化,在优化的色谱-质谱条件下,15种氨基酸均达到基线分离。结合混合阳离子(MCX)固相萃取柱对氨基酸发酵液实际样品进行净化,将所建立的方法用于^(15)N标记精氨酸发酵液中的氨基酸组成(包括亮氨酸-^(15)N、脯氨酸-^(15)N、精氨酸-^(15)N_4、谷氨酰胺-^(15)N和赖氨酸-^(15)N_2)分析,并根据EI图谱的离子碎片信息对^(15)N标记精氨酸发酵液中的氨基酸同位素丰度进行计算。

稳定同位素^(15)N标记螺旋藻的生物合成

15N-螺旋藻是一种重要的同位素示踪剂,应用于生命科学、药物代谢、病理代谢等研究中。由于15N原料十分昂贵,15N-螺旋藻只能由室内小规模生物培养而获得。本工作就室内培养螺旋藻的温度、光照强度、pH等条件进行了探索。结果显示,室温25℃、连续光照、光照强度3 000~4 000 lux、初始pH9.0是室内培养15N-螺旋藻的适宜条件。采用正交设计进行配方优化,优选出培养15N-螺旋藻配方。在优化条件下培养15N-螺旋藻,15N的原料成本投入大幅降低,产品丰度>98%。

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。

稳定同位素^(15)N标记水合肼的合成研究

15 N标记水合肼是稳定同位素标记化合物合成过程中一种常用的强还原剂,广泛应用于同位素标记药类化合物的合成。本研究通过单因素实验考察了15 N标记水合肼合成过程中各因素对其收率的影响。结果表明,15 N标记水合肼的最佳合成条件为:次氯酸钠的有效氯含量为115～120g/L,氯化反应时间为30～40min,水解回流时间为7min,催化剂与尿素用量为m(催化剂)∶m(尿素)=1.0∶10.0。在此条件下,水合肼合成收率达76.1%,丰度为99.20%。

电喷雾质谱质量重心法快速表征^(15)N标记氨基酸同位素丰度

建立了15N标记同位素丰度的电喷雾质量重心分析方法,并成功的应用于5种15N标记氨基酸同位素丰度的表征。通过与15N标记氨基酸标准品标识的同位素丰度指标的比较,表明电喷雾质谱质量重心法对15N标记氨基酸同位素丰度的检测简单、准确、可靠,具有较好的分析检测实用性。本方法的快速制样和高通量检测的特性,使其比传统的气体同位素质谱法具有更高的检测效率和更低的检测成本,具有更为广阔的应用前景。

^15N稳定同位素标记技术在草地生态系统氮循环中的研究进展

稳定性同位素标记技术在生态学的诸多研究领域中有着广泛应用,其中15N标记技术在草地生态系统氮素循环研究中发挥了重要作用。本文综述了15N标记技术在国内外草地生态系统中生物固氮、氮肥的去向和利用、氮素在土壤中的转化以及氮素损失方面的研究现状及进展,并对存在的问题和前景进行了分析和展望,为更好的利用氮肥、充分发挥草地生产潜力提供理论依据。图1,参53。

^(15)N同位素稀释法研究固氮菌接种对甘蔗生物固氮的影响

利用15N同位素稀释法,研究接种固氮菌klebsiella L03对甘蔗品种B8和ROC22的生物固氮的影响。结果表明:B8的固氮百分率最高为31.28%Ndfa,从苗期开始就显著高于ROC22,分蘖期和伸长初期的固氮量和固氮百分率与ROC22相比差异达到极显著水平。B8和ROC22的根、茎、叶都可发生固氮,以伸长初期(60d)叶片中的固氮能力最强。接种L03能显著提高B8和ROC22各器官的含氮量,其中对ROC22叶片和B8茎的含氮量提高作用最明显。不同甘蔗品种、相同品种的不同器官甚至相同器官的不同生长时期固氮作用有很大差异。

^(15)N同位素稀释法测定燕麦根际固氮菌固氮量的研究

用15N同位素稀释法对接种到燕麦上的不同固氮菌的固氮能力进行了测定,结果表明:固氮菌处理的地上植株15N原子百分超为1.0871%～1.3791%,其中Pseudomonas spN4最低(1.0871%);植株地下部分为1.0921%～1.2751%,Pseudomonas spN4也是最低(1.0921%)。Pseudomonas spN4、A.lipoferumO6和Zoogloea spW6固氮能力较好。植株全氮含量增加2.08%～39.58%,A.lipoferumO6处理的全氮含量最高(39.58%)。接种固氮菌能够提高燕麦的全氮含量、固氮百分率和固氮量。

基于^(15)N稳定同位素技术的斜生栅藻对硝氮和氨氮吸收研究

硝氮(NO3--N)和氨氮(NH4+-N)是水体中无机氮的主要形态。利用15N稳定同位素技术研究了斜生栅藻(Scendesmus obliquus)对NO3--N和NH4+-N的吸收特征。结果显示,在相同浓度条件下,斜生栅藻对NH4+-N的吸收速率显著高于对NO3--N的吸收率,在180min的试验中,对15NH4+-N的吸收速率为0.62～1.15μmol/(g·min);对15NO3--N的吸收速率为0.08～0.15μmol/(g·min)。在NO3--N和NH4+-N2种形态氮源同时存在的混合组中,斜生栅藻对NO3--N的吸收速率[0.12～1.00μmol/(g·min)]显著低于NO3--N作为唯一氮源的单一组[0.78～1.23μmol/(g·min)],表明NH4+-N的存在对藻类吸收NO3--N有抑制作用。在14NO3--N和15NO3--N同时存在时,斜生栅藻优先吸收14NO3--N,产生同位素分馏效应,但不同形态氮对藻类氮吸收的影响远远大于同位素的影响。

基于δ^(15)N稳定同位素分析的人工防护林大型土壤动物营养级研究

稳定同位素δ15N是分析生态系统中的营养关系的重要方法。本研究采用该方法分析了人工防护林土壤动物的营养级及它们之间的营养关系。对3个地区人工杨树林12类大型土壤动物及其土壤、细根及植物枯落叶的稳定同位素δ15N分析结果显示,不同环境条件下土壤动物δ15N具有显著差异性(F=38.067,P<0.001),土壤动物δ15N值与土壤、植物细根及枯落叶δ15N值之间有明显的相关性,与全氮含量没有明显的相关性;根据不同土壤动物δ15N值的状况,12种土壤动物在土壤生态系统中大都处于第二至第四营养级,处于较低营养级位置的动物主要有大蚊幼虫(Tipulidae larvae)、蚯蚓(Lumbricidae)、金龟甲幼虫(Scarabaeidae larvae)等类群,较高营养级的为蜈蚣(Scolopendromorpha)、隐翅甲成虫(Staphylinidae adult)、叩甲成虫(Elateridae adult)、线蚓(Enchytraeidae)等动物,同类土壤动物在不同样地中营养级位置存在一定的差异。

同位素^(15)N稀释法测定豆科植物固N初步研究

定量豆科植物的固N作用是选择豆科作物种、根瘤菌系和改进农业技术措施的重要问题,可以减少对七壤N依赖和N肥用量并提高产量。测定豆科植物的固N有二类方法:一是N平衡法,二是应用同位素^(15)

脐橙叶片施用^(15)N和^(32)P同位素的运转分配规律和座果机制的研究

在萌芽期和花芽分化期叶片施用１５Ｎ硫铵、３２Ｐ磷酸二氢钠和１５Ｎ尿素，研究脐橙在萌芽期、初花期、生理落果期以及花芽分化期氮、磷营养吸收运转分配规律。结果表明开花过程需消耗大量氮、磷营养。在落花落果的３２Ｐ放射比强度和ＮＤＦＦ％都比座果的小，说明氮、磷营养不足是引起脐橙落花落果的主要原因之一。ＧＡ３＋ＢＡ或ＧＡ３激素处理能吸引氮、磷营养向幼果运输，从而提高座果率。

同位素质谱仪测定小麦植株各器官δ^(15)N值的考察

建立了15N标记的小麦植株各器官中δ^(15)N值的元素分析仪-同位素比质谱仪联用技术(EA-IRMS)的测定方法.对仪器的稳定性和线性进行了条件优化,标准气N_2的同位素比值的标准偏差为0.03‰,在同位素信号值1e^(-9)~1e^(-8)A范围内,总体线性为0.009‰/n A.称取不同量的小麦粉标准物质(OAS/Isotope)测定δ^(15)N值,进样量为4 mg时标准偏差最小,为最佳称样量.对硫酸铵标准物质(IAEA-N2-6)、小麦粉标准物质和^(15)N标记小麦植株样品各器官进行测定,δ^(15)N值的标准偏差均小于5%,测定精度和准确度较好.方法为研究氮素在小麦体内运转及利用效率提供了有效的技术手段.

基于酶催化反应测定^(15)N标记尿素同位素丰度

基于酶催化反应建立^(15)N标记尿素同位素丰度的测定方法。10 mg ^(15)N标记尿素先在50 mg脲酶溶液中催化生成^(15)N标记碳酸铵,然后在碱性、65℃下分解产生^(15)N标记氨气并用酸吸收后生成^(15)N标记铵盐,^(15)N标记铵盐与次溴酸钠反应生成^(15)N标记氮气,再将生成的^(15)N标记气体引入MAT-271型气体同位素质谱仪中检测相对原子质量为28、29和30的离子流强度,根据不同丰度范围计算^(15)N同位素丰度。结果表明:针对低、中、高不同^(15)N同位素丰度的尿素样品,采用脲酶催化法测定的^(15)N丰度与微量高温燃烧法的偏差均小于0.2%,相对标准偏差均小于0.3%,适用的^(15)N同位素丰度范围为0.365%~99.2%。脲酶催化法准确度较高,精密度良好,适用于^(15)N标记尿素同位素丰度的检测。

稳定同位素^(15)N在我国农业研究中的应用进展

本文综述了近年来我国农业研究及生产中应用稳定同位素^(15)N所取得的成就;简介了稳定同位素分析技术的现状;阐明了稳定同位素^(15)N的发展方向及应用前景。

用^(15)N同位素稀释法研究沸石对氮肥利用率的影响

通过15N示踪研究不同沸石水平处理对玉米氮肥利用率的影响。结果表明 :( 1 )沸石和肥料混合使用促进了玉米的生长 ,第一茬玉米氮肥利用率以 0 7g kg土沸石用量为最高 ,其次是 1g kg土 ;( 2 )第二茬玉米的氮肥利用率则是以 0 1 %的沸石用量最高 ,其次是 0 1 3 %的沸石用量水平 ,与对照相比 ,沸石处理使两茬玉米的氮肥利用率分别提高了 2 3 2 %～ 3 3 1 % ;( 3 )沸石处理可以显著降低土壤中氮肥的损失 ,与对照相比 ,降低率达 2 5 9%～3 0 6% 。

^(15)N标记水稻控释氮肥对提高氮素利用效率的研究

本文应用1 5N示踪技术研究了水稻对控释氮肥和尿素氮吸收利用效率的影响以及氮的去向。结果表明 ,施肥后 11天内 ,水稻控释氮肥和尿素的NH3 挥发损失分别占施入氮量的 0 .6 9%和 1.81%。NH3 的挥发损失在施肥后第 5天时达到最大值 ,此后逐渐降低。水稻控释氮肥和尿素氮的淋溶损失分别占施入氮量的 0 .95 %和 1.0 2 %。水稻控释氮肥氮的淋溶损失在水稻整个生长期间均比较平缓 ,施肥后 40天时略有上升 ,此后又缓慢降低。用氮素平衡帐中的亏缺量扣除氨的损失量后计为硝化—反硝化损失量的结果表明 ,水稻控释氮肥氮的硝化—反硝化损失量占施入氮量的 3.46 %,而尿素氮的硝化—反硝化损失量却高达 37.75 %。肥料氮在土壤中的残留主要集中在 0～ 35cm的土层中 ,达 91.4— 91.5 %,残留在 35cm以下土层中的氮甚微。水稻控释氮肥残留在土壤中的氮量略高于尿素处理。水稻控释氮肥利用率高达 73.8%,比尿素高出 34 .9%。水稻控释氮肥氮利用率高的原因是因氮从颗粒中缓慢释放、受淋溶、氨挥发、尤其受硝化—反硝化途径损失的氮较少。在施等氮量的条件下 ,施用水稻控释氮肥的稻谷产量比尿素的增产 2 5 .5 %,达到p =0 .0 5的显著水平。

盆栽和田间条件下土壤^(15)N标记肥料氮的转化

利用^(15)N在盆栽条件下研究了铵的矿物固定作用对肥料氮在三种土壤中转化的影响。结果表明,红壤性水稻土不固定肥料铵,但在白土和夹沙土中,56—77%的肥料氮被土壤矿物所固定,这些“新固定”的固定态铵的有效性很高,其中90%以上在30—50天内即被水稻所吸收,或者为微生物所利用转变为生物固定态氮。生物固定态氮对当季作物的有效性远较“新固定”的固定态铵的低。田间微区试验的结果还表明,甚至第二、三季作物吸收的残留肥料氮中,20—86%的氮也系来自固定态铵。作者认为,对具有较强固铵能力的土壤来说,只有了解铵的矿物固定作用,才能正确了解肥料氮的其它转化过程。

^(15)N标记羊粪和稻草还田氮素的转化和效应的研究

本工作通过田间微区试验，研究了^（１５）Ｎ标记羊粪和稻草单独施用或分别与尿素配合施用作为水稻基肥时，肥料氮的命运及其对水稻产量的影响。结果表明，羊粪单施或与化肥Ｎ配合施用时，稻谷回收的羊粪Ｎ分别为７．９％和９．２％，相当于饲料稻草Ｎ的２．２％和２．６％，若将羊体中回收的饲料稻草Ｎ量（３１．２％）￣［６］计入，则羊体和稻谷共回收饲料稻草Ｎ分别为３３．４％和３３．７％，明显高于稻草直接还田时稻谷对稻草Ｎ的回收率（单施和与化肥配合施用时分别为９．９％和１４．５％）。稻草喂羊，再以其粪尿还田，其经济效益也明显高于稻草直接还田。