稳定同位素技术在环境水体氮的生物地球化学循环研究中的应用

氮的生物地球化学循环是地表环境中最复杂的物质循环之一.近年来,稳定同位素技术在氮的生物地球化学循环研究中得到了广泛应用,极大地丰富了人们对氮的来源、物理迁移及其生物地球化学循环等过程的认识,完善了氮的生物地球化学循环理论体系.本文综述了在环境水体中应用稳定同位素示踪技术及统计模型,将氮的溯源研究从定性识别拓展到定量解析;应用稳定同位素分馏理论及同位素配对技术,实现氮的生物地球化学循环转化途径的判别及其转化速率的定量解析;重点提出应进一步开展不同转化途径、不同水体环境要素对氮同位素分馏特征的影响研究,逐步完善环境水体氮循环同位素分馏理论体系,为准确认识氮循环和加强水环境保护奠定科学基础.

利用膜进样质谱同时测定河流沉积物反硝化和厌氧氨氧化

为深入了解水体脱氮过程及机理,结合膜进样质谱(MIMS)和15N同位素配对技术(15N IPT)测定太湖地区西部六条河流沉积物的反硝化和厌氧氨氧化潜势,即将15N标记的硝态氮和铵态氮加入到混匀沉积物的上覆水中进行培养,用MIMS直接在线测定培养过程产生的29N2和30N2。结果表明,用MIMS测定29N2和30N2的产生速率是合适的,应用该方法在太湖地区西部研究河流的测定值与已报道的相关研究结果具有可比性。河流沉积物反硝化和总脱氮潜势范围分别为(18.5±2.8)～(133.2±27.1)μmol N·m-2·h-1和(30.0±2.4)～(161.1±30.4)μmol N·m-2·h-1,其中反硝化脱氮贡献率在(61.3±4.5)%～(83.2±2.1)%之间,二者都表现为由研究区域西北部向西南部递减。河流沉积物厌氧氨氧化潜势范围为(10.4±2.3)～(28.0±4.4)μmol N·m-2·h-1,其脱氮贡献率在(16.9±2.1)%～(38.7±4.5)%之间,厌氧氨氧化脱氮贡献率的空间变化趋势与反硝化潜势相反。相关分析显示,沉积物的硝态氮和可溶性有机碳含量是研究区域河流沉积物反硝化和厌氧氨氧化作用的关键影响因子。研究表明,MIMS和15N IPT结合的方法避免了复杂的脱气步骤可能带来的分析误差,同时具有测定直接、所需样品少以及测定速度快等优点,适用于淹水环境反硝化和厌氧氨氧化过程的同时测定,在今后深入开展水体氮循环研究中具有良好的应用前景。研究区域河流沉积物脱氮过程存在显著空间异质性且脱氮过程以反硝化作用为主,但厌氧氨氧化的脱氮作用也不容忽视。

河流沉积物反硝化治理对环境的保护措施

反硝化过程是治理拉萨河河流沉积物,改善流域生态环境的有效途径。本文对此展开探究,概述了反硝化机理与影响因素,分析了反硝化四个还原过程的特征,提出了同位素配对法对N_2产物的精准测定。

不同生态修复手段对硝态氮和铵态氮脱除机制的影响

采集入贡湖亲水河原位底泥柱芯、上覆水及伊乐藻样品,搭建室内模拟实验,探究不同生态修复手段下硝氮和铵氮的脱除机制。采用^(15)N同位素配对技术,测定分析了裸泥组A、脱氮微生物(INCB)组B、伊乐藻组C和INCB^+伊乐藻组(D)中反硝化速率及植物吸收速率。结果表明,处理组D中反硝化速率最高,在添加^(15)NO_3^-和^(15)NH_4^+的处理组分别为258.6和156.49μmol/(m^2·h)。对比添加^(15)NO_3^-的处理组,添加^(15)NH_4^+的处理组中伊乐藻吸收速率大约是^(15)NO_3^-的2倍,而添加^(15)NO_3^-处理组中反硝化速率约是添加^(15)NH_4^+的处理组1.5倍。沉水植物在吸收氮素的同时促进了微生物脱氮作用,与植物吸收相比,反硝化脱氮是氮素脱除的主要途径。INCB和沉水植物的联合应用,提高了河道水体氮素的去除速率,促进河道水体净化。

r-IPT_(ra)与r-IPT_V在淡水沉积物脱氮速率研究中的对比分析

正确评估淡水环境中沉积物脱氮效应对理解淡水系统氮循环过程具有重要的科学意义,修正^(15)N同位素配对技术(revised ^(15)N isotope pairing techniques,r-IPT)可同时评估沉积物柱样中反硝化与厌氧氨氧化速率及其脱氮贡献。本文利用流动柱样培养实验,首次在淡水系统中对比了利用泥浆实验提供参数的r-IPT_(ra)与由柱样培养实验本身提供参数的r-IPT_V计算沉积物脱氮速率的差异性,并评估了秋季太湖不同沉积环境脱氮速率。研究表明:(1)泥浆实验结果表明,太湖梅梁湾与胥湖沉积物中均存在反硝化与厌氧氨氧化作用。(2)r-IPT方法的基本假设在研究区域均成立。其中,r-IPT_V得到的两湖区沉积物原位脱氮速率均与添加15NO-3浓度无关,表明r-IPT_V对沉积物脱氮速率评估具有更好的计算精度。(3)r-IPT_V计算结果表明,梅梁湾与胥湖沉积物反硝化、厌氧氨氧化、脱氮速率分别为3.09、1.47、4.56μmol/(m2·h)与0.69、0.02、0.71μmol/(m^2·h),厌氧氨氧化对两湖区沉积物脱氮贡献率(ra)分别为32.2%与3.3%。(4)对比r-IPT_(ra)与r-IPT_V在两个湖区的计算结果,当ra较低时(3.3%),r-IPT_(ra)与r-IPT_V计算的沉积物脱氮速率及厌氧氨氧化速率接近;而当ra较高时(32.2%),r-IPT_(ra)显著高估沉积物脱氮速率,低估厌氧氨氧化贡献率。

伊乐藻-氮循环菌联用对太湖梅梁湾水体脱氮的研究

从太湖梅梁湾采集无扰动泥芯样,分别添加伊乐藻、固定化氮循环菌,模拟生态修复并探讨其机制.采用同位素配对技术测定了伊乐藻-氮循环菌技术对反硝化速率的影响.结果表明,伊乐藻与氮循环菌联合作用的试验柱的反硝化速率(以N计)最高,为104.64μmol·(m2·h)-1,与裸泥试验柱相比增加了150%.采用实时荧光定量PCR技术(RT-qPCR)对沉积物中反硝化菌功能基因nirS、nirK和nosZ进行定量研究,结果显示,反硝化菌的功能基因nirS和nosZ比对照裸泥组高出1～2个数量级,表明较高的微生物量促进了反硝化脱氮的能力.室内模拟实验还表明,沉水植物提高了耦合硝化反硝化的作用,氮循环菌提高了非耦合硝化反硝化的作用,沉水植物与微生物的联合作用提高了沉积物的总反硝化速率,促进了湖泊水体氮素的脱除,起到了净化作用.

太湖西部湖区沉积物厌氧氨氧化潜在速率及其脱氮贡献研究

厌氧氨氧化作为一种异于反硝化的氮转化途径,可同时将氨氮与亚硝氮转化为氮气,是沉积环境中重要的脱氮过程.本文基于15N同位素配对技术,利用15NH+4、15NH+4+14NO-3和15NO-3三组同位素开展泥浆培养试验,研究了四季太湖西部湖区沉积物厌氧氨氧化潜在速率及其脱氮贡献率;结合厌氧氨氧化功能基因丰度及沉积物理化特征,探讨了沉积物厌氧氨氧化潜在速率季节性差异的成因.研究结果表明:沉积物厌氧氨氧化潜在速率存在显著的季节差异性,夏、秋季显著高于春、冬季,秋季最高,为10.11μmol·kg-1·h-1(以N2计,下同),冬季最低,为3.24μmol·kg-1·h-1;沉积物总脱氮速率为10.67~31.02μmol·kg-1·h-1,其中厌氧氨氧化脱氮效应显著,四季脱氮贡献率高达30%~40%.有机质、氨氮及其功能基因丰度是影响厌氧氨氧化潜在速率的重要因子,研究区域沉积物孔隙水夏、秋季氨氮浓度和厌氧氨氧化功能基因丰度均高于春、冬季,沉积物有机质含量低于春、冬季,厌氧氨氧化潜在速率随沉积物孔隙水氨氮及其功能基因丰度升高而升高,随沉积物有机质升高而降低.

伊乐藻-固定化脱氮微生物技术对入贡湖河道脱氮机制的影响

采用无扰动的入贡湖亲水河底泥柱芯以及上覆水进行实验,探究了伊乐藻与固定化脱氮微生物技术对受污染的入贡湖湾河道的生态修复效果.运用稳定性15N同位素配对技术和基于16S rRNA高通量测序技术探讨了伊乐藻与固定化脱氮微生物联用技术(E-INCB)对亲水河底泥的反硝化速率、厌氧氨氧化速率以及脱氮微生物群落多样性的影响.结果表明,添加了伊乐藻与固定化脱氮微生物以后,亲水河水质得到明显改善,TN、NH+4-N、NO-3-N的去除率分别为72.03%、46.67%、76.65%,同时,添加了伊乐藻和固定化脱氮微生物以后,泥水界面的反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌表现出协同作用关系,与对照组相比,反硝化速率和厌氧氨氧化速率增加量分别为165μmol·(m2·h)-1和269.7μmol·(m2·h)-1.反硝化细菌与厌氧氨氧化细菌的群落多样性明显增加,变形菌门(Proteobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、酸杆菌门(Acidobbacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)均具有优势增长.沉水植物与固定化脱氮微生物联用技术增强了河道底泥中的脱氮微生物多样性,进一步提高了亲水河的氮素脱除能力.