^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。

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.

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%。

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%。

^(15)N稳定同位素标记集胞藻的生物合成研究

目的建立实验室生物合成15N稳定同位素标记集胞藻的最优培养条件,并驯化得到高丰度15N集胞藻藻种。方法对培养温度、光照及p H值等条件进行优化,优选出最佳培养工艺。将培养基中的14N氮源替换为15N氮源,优化配方,使用同位素比质谱仪测量藻体中15N、14N同位素组成。结果实验室培养条件选定为培养温度25℃、光照强度2000 lux、初始p H值为7时,集胞藻生长良好。将配方中硝酸钠浓度设定为1.5 g/L时,产品丰度最大。驯化得到高丰度15N-集胞藻藻种。结论本试验优化的培养工艺和配方,适宜15N稳定同位素标记集胞藻生长。得到的藻种产品丰度高,生产成本低。

^(15)N稳定同位素标记副溶血弧菌的培养基制备与培育

为进行蛋白质组学的定量研究,研制一种^(15)N稳定同位素标记的副溶血弧菌培养基并进行^(15)N标记副溶血弧菌培育。方法包括连续多次转接培养副溶弧菌和利用LC-MS/MS验证标记的副溶血弧菌细胞中蛋白质氮原子的标记效率。所述培养基的配方为NH_4Cl(2 g/L)、葡萄糖(10 g/L)、KH_2PO_4(0.6 g/L)、KH_2PO_4(0.9g/L)、MgSO_4(0.2 g/L)、Na Cl(20 g/L)和蒸馏水(1L,pH 7.0~7.5);氮源的氮原子采用^(15)N进行标记,标记效率为91.5%。结果表明,该工艺简单合理,培养基组分简单、成本低,为工业化制备^(15)N标记副溶血弧菌培养基提供了新的制备方法。

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。

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。

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。

基于^(15)N稳定同位素示踪技术的太湖梅梁湾浮游植物群落氮吸收动力学研究

浮游植物对氮的吸收与其生长繁殖密切相关,太湖梅梁湾湖区蓝藻水华频频暴发,对该水域浮游植物氮吸收进行研究具有重要意义.本文分别在冬、春、夏、秋4个季节于梅梁湾采样,对水体常规理化指标和浮游植物群落结构进行分析,并利用^(15)N稳定同位素示踪技术研究了浮游植物对铵态氮(NH_4^+-N)、硝态氮(NO_3^--N)和尿素态氮(Urea-N)吸收的动力学特征.结果表明,太湖梅梁湾浮游植物群落除了秋季对NH_4^+-N的吸收不符合米氏方程外,其余均符合.冬季和春季3种形态氮最大吸收速率(V_(max))的大小依次为:NH_4^+-N> NO_3^--N>Urea-N,而夏季为:NH_4^+-N>Urea-N>NO_3^--N. 3种形态氮Vmax的季节变化规律为夏季>秋季>春季>冬季. V_(max)在不同季节以及不同形态氮之间的差异性可能与浮游植物群落组成以及水体中NH_4^+-N浓度不同有关.浮游植物对NH_4^+-N吸收的KS值在冬、春季高于夏季,对Urea-N吸收的K_s值则在夏、秋季高于冬、春季,而对NO_3^--N吸收的K_s值则在夏季显著高于其他3个季节.冬季和春季梅梁湾浮游植物群落最容易受到NO_3^--N限制,而最不容易受到Urea-N的限制;而夏季,则最容易受到NO_3^--N限制,而最不容易受到NH_4^+-N的限制,且浮游植物群落对NH_4^+-N的亲和力最高.与NO_3^--N相比,秋季浮游植物更容易受到Urea-N的限制.不同季节,容易对浮游植物产生限制作用的氮的形态不同.

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。

稳定同位素^(15)N技术在高寒草甸生态系统应用展望

稳定同位素技术是了解生物与其生存环境相互关系的强有力手段,在生态学的研究中应用广泛,稳定同位素^(15)N技术作为一种新方法和新技术,在生态系统氮素研究方面具有极为美好的应用前景,并显示出其强大的生命力。综述了国内外稳定同位素^(15)N技术研究进展,并对其在高寒草甸生态系统中的应用进行了展望,以期进一步发挥其在高寒草甸生态系统中的重要作用,从而在高寒草甸生态系统研究中取得重大进展。

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。

15N同位素在华北冬小麦夏玉米氮营养来源研究中的应用

小麦-玉米一年两作是华北平原最主要的种植方式之一,对保障国家粮食安全至关重要。阐明该种植体系作物氮营养来源定量组成对区域养分资源管理、施肥制度优化、作物营养状况调控都具有十分重要的意义。15N作为氮元素的一种稳定同位素,其示踪技术在农田氮肥去向,作物氮营养来源等农业生产领域得到广泛应用。本文主要概述了15N同位素技术在研究当季施入化肥氮、前茬残留化肥氮、播前土壤固有硝态氮对华北冬小麦-夏玉米氮营养贡献中的具体应用方法、实例及相关研究结果,并对叶面肥氮、还田秸秆氮、大气沉降氮等其他氮营养来源的研究进行了展望,以期为该种植体系养分资源管理以及施肥制度优化提供理论参考。

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。

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.

SERS-稳定同位素标记技术研究氮相关功能/活性微生物

氮是维持生命活动最重要的营养元素之一,环境微生物在氮的生物地球化学循环中起着重要作用,但由于大部分微生物不可培养,对其认识非常有限。本文结合表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)与^(15)N稳定同位素标记,证明^(15)N可引起细菌SERS谱峰明显偏移。偏移谱峰可作为细菌同化氮的良好指示。另外^(15)N比例与SERS谱峰呈现良好的线性关系,说明SERS可以用于研究氮相关的功能和活性微生物,并根据偏移程度判断活性。我们也比较了^(15)N、13 C、氘代葡糖糖和氘水引起的SERS谱峰偏移,结果显示位于腺嘌呤环上的C和N引起的偏移要大于氘重同位素引起的偏移。以上研究有助于选择合适的拉曼-稳定同位素标记方法,针对不同元素进行研究。

稳定性C、H、O、N、S同位素在绿茶产区溯源的应用

为确定稳定同位素对绿茶溯源的可行性。利用同位素质谱仪测定来自安徽、福建、贵州、山东、四川、浙江、西藏7地区的绿茶样品的碳、氢、氧、氮、硫同位素。通过比较分析不同地域来源的绿茶中稳定性碳、氢、氧、氮、硫同位素组成特征。结果表明,各地区绿茶中稳定性碳、氢、氧、氮、硫同位素存在一定差异。多同位素指标组合判别效果好于单一同位素指标的判别效果,稳定性碳、氢、氧、氮、硫同位素指标组合分析是绿茶产地溯源的有效指标,准确率可达84.8%。利用稳定性碳、氢、氧、氮、硫同位素指标与多元统计分析方法相结合可以对不同地域来源的绿茶进行有效区分。

应用碳、氮稳定同位素研究稻田多个物种共存的食物网结构和营养级关系

稳定碳、氮同位素比值分析技术是研究生态系统中物质循环与能量流动的有效技术。δ13C值常用来分析消费者食物来源,δ15N值常用来确定生物在食物网中的营养位置。应用稳定同位素技术分析了稻-鱼(R-F)和稻-鱼-鸭(R-F-D)两种稻作方式下,稻田多个物种共存的食物网结构和营养级关系。结果表明,R-F中SOM的δ13C值为(-27.7±0.3)‰,与R-F-D(-27.4±0.4)‰,相差不大;R-F中POM的1δ3C值为(-27.4±0.8)‰,低于稻鱼鸭共生田(-26.7±0.5)‰;δ15N值计算发现R-F内浮游动物的营养级位置在2.24±0.16,鱼的营养级位置在3.07±0.26,均高于其在R-F-D内的营养级。在R-F-D内,由于鸭的引入,和R-F相比,鱼的营养级降低为2.63±0.13。