淮北平原典型农田土壤N2O产生途径及相关功能基因丰度研究

温室气体氧化亚氮（N₂O）已成为全球关注的焦点,全球约60%的人为N₂O排放来自农业土壤.虽然已知微生物硝化和反硝化是土壤N₂O产生的主要过程,但N₂O产生的关键生物学机制以及其调控环境变量之间的相互作用仍然难以预测.本研究选取安徽省亳州市冬、夏两季 农田垂向土壤（0~200 cm）为研究对象,通过乙炔抑制法、¹⁵N-¹⁸O同位素示踪技术分别测定了N₂O产生潜势及产生途径,并利用宏基因组测序技术分析不同N₂O产生途径中功能基因的丰度变化以解析农田土壤N₂O产生的微生物机理.结果显示,在空间尺度上,表层土壤（0~20 cm）是N₂O产生热区,其N₂O产生潜势最高,为（0.364±0.048） ng·g^-1·h^-1.硝化和反硝化潜势均在表层土壤达到最高.在时间尺度上,冬季（15 ℃）是N₂O产生热时,冬季样品N₂O产生潜势显著高于夏季样品,分别为（0.198±0.007）和（0.057±0.009） ng·g^-1·h^-1.总体而言,硝化过程是农田土壤N₂O产生的主要来源,其中,硝化细菌反硝化过程（ND）对N₂O产生的贡献率最高,为52%,而硝化细菌硝化过程（NN）和硝化反应偶联的反硝化过程（NCD）的贡献率分别为24%和0.统计分析表明,农田土壤N₂O产生、硝化及反硝化潜势与理化性质（MC、pH、TN）和功能基因相对丰度（hao、nirK、norB）存在显著相关性.本研究揭示了农田土壤中N₂O的产生机理及关键影响因素,并强调了冬季农田土壤中N₂O的产生不容忽视,这些结果对准确评估我国农业温室气体排放具有重要意义.     

稻田土壤氧化亚氮产生潜势、反硝化功能基因丰度和群落结构的垂向分布

土壤中氧化亚氮（N₂O）的释放量占全球N₂O释放总量的60%.其中，稻田土壤是N₂O最主要的释放源.反硝化过程是稻田土壤N₂O生成的主要微生物过程之一.本研究选取广东韶关稻田垂向土壤（0~100 cm）为研究对象，通过乙炔抑制剂法测定了N₂O产生潜势和反硝化潜势，并利用针对特异性功能基因的实时荧光定量和高通量测序技术分别分析反硝化功能基因丰度和反硝化微生物群落结构.结果显示：0~10 cm深度的土壤样品N₂O产生潜势最高，可达（0.020±0.0035）μg·g^-1·h^-1.反硝化功能基因中，nirK基因的丰度峰值（（1.51±0.0015）×10⁸ copies·g^-1）出现在0~10 cm深度，而nosZ和nirS基因的丰度峰值（（4.29±0.0015）×10⁷ copies·g^-1和（8.86±0.0010）×10⁷ copies·g^-1）均出现在10~20 cm深度.稻田垂向土壤中N₂O产生潜势和相关的反硝化功能基因（nosZ、nirK和nirS）丰度均随土壤深度的增加而逐渐降低.其中在所有深度的土壤样品中nirK基因的丰度均高于nirS.基于nirK基因的高通量测序结果发现慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）的相对丰度最高（44.06%±6.14%，n=6）.相关性分析表明，稻田土壤中N₂O产生潜势与环境因子（TN、TC和含水率）、反硝化功能基因丰度以及慢生根瘤菌（Bradyrhizobium），罗河杆菌属（Rhodanobacter）和亚硝化螺菌属（Nitrosospira）的相对丰度呈正相关.上述结果表明稻田土壤中环境因子和反硝化功能基因丰度影响了N₂O产生潜势的垂向分布.     

干湿交替对自然沟渠沉积物反硝化速率的影响

以川中丘陵区自然沟渠沉积物为研究对象,设置低强度、中强度、高强度的干湿交替频率和长期淹水对照处理,运用室内原状土柱-乙炔抑制培养法和实时荧光定量PCR技术,研究了干湿交替对自然沟渠沉积物反硝化速率及相关功能基因的影响.结果表明：在试验模拟过程中,干湿交替显著降低了沉积物中NH₄⁺-N和DOC含量,沉积物中NO₃^--N含量则表现为先增加后减少的趋势.沉积物反硝化速率均值表现为中强度（266.42 μg·m^-2·h^-1） > 高强度（199.10 μg·m^-2·h^-1） > 低强度（152.93 μg·m^-2·h^-1） > 长期淹水（9.57 μg·m^-2·h^-1）.干湿交替增加了反硝化功能基因的拷贝数（p<0.05）,nosZ基因拷贝数在实验前后无显著差异;低强度和中强度处理的nirK基因拷贝数在实验前后差异显著,中强度处理的nirS基因拷贝数在实验前后差异显著.Pearson相关分析结果表明,沉积物的反硝化速率与NO₃^--N含量、ORP和nirK基因拷贝数呈显著正相关（p<0.05）.干湿交替可能主要通过改变沉积物的NO₃^--N含量、ORP和nirK基因拷贝数影响沉积物反硝化速率.     

多孔钛板负载Pd-Cu阴极电催化还原饮用水中硝酸盐的研究

研究了以多孔钛板负载钯-铜(4∶1)合金作为阴极,通过电催化还原脱除饮用水中硝酸盐氮的效果和主要影响因素.试验表明,电催化反硝化的主要产物为氮气,钯-铜合金的电催化活性可达到16.69 mg/(g·h)、选择性可达96.9%.在低硝酸盐氮浓度下,电催化反硝化反应符合表观一级反应动力学,高浓度时符合零级反应动力学.当槽压低于1.5V或电流强度小于5mA时,阴极几乎不会发生硝酸盐氮的还原反应;而当槽压大于4.2V时或电流强度大于30mA时,阴极生成氨氮的副反应显著增加.中性条件下电催化反硝化的活性和选择性都能达到较好的效果,酸性条件下反应活性增加但选择性降低.溶液中的传质对反硝化没有显著影响.溶液中存在的其它阴离子对反硝化不利,不同阴离子对反硝化反应的影响次序为ClO₄^-3^--.     

闽江河口表层水体氧化亚氮释放时空变化特征及其影响因素

以闽江口水体为研究对象,研究了闽江河口上段（城市河口段）、河口中段和河口下段（口外海滨段）不同季节水体N₂O的溶存浓度、水-气界面通量及其环境影响因子.结果表明,闽江口水体N₂O溶存浓度为0.99~55.92 nmol·L^-1,N₂O饱和度为8.0%~396%,水-气界面N₂O释放通量为-5.21~7.91 μg·m^-2·h^-1.从季节差异看,7月（夏季）、9月（秋季）和12月（冬季）水体中N₂O过饱和,表现为N₂O的排放“源”;4月（春季）水体中N₂O不饱和,表现为N₂O“汇”.水-气界面N₂O释放通量呈夏、秋和冬季高,春季低的季节变化规律.在空间变化上,水-气界面N₂O释放通量从 河口上段到下段降低,与氮含量变化趋势一致.N₂O间接性释放因子为0.004%~0.128%,低于IPCC推荐值（0.25%）.温度、盐度、pH、NO₃^-、DO、 悬浮颗粒物浓度是影响N₂O溶存浓度与释放通量的主要影响因素.因此,季节性变化和人类活动导致河口N₂O释放存在较大的时空差异性,从而增加了河口N₂O排放评估的不确定性.     

温度和基质浓度对厌氧氨氧化工艺中N2O释放的影响

污水生物脱氮工艺中通常会释放温室气体N₂O,厌氧氨氧化工艺作为新型生物脱氮工艺,其N₂O的释放规律及机制值得深入研究.本文利用厌氧氨氧化序批试验,研究了不同温度和基质浓度对厌氧氨氧化工艺中N₂O释放的影响,并探讨了N₂O释放的微生物机制.结果表明,厌氧氨氧化工艺中进水基质浓度的增加会促进N₂O释放,在35℃条件下,当进水亚硝氮从40 mg ·L^-1增加至60 mg ·L^-1和120 mg ·L^-1时,N₂O最高积累浓度从0.5 mg ·L^-1增加至1.5 mg ·L^-1和2.4 mg ·L^-1,分别占总氮去除量的0.85%、1.43%和1.11%.温度降低对厌氧氨氧化活性抑制作用明显,15℃下的比厌氧氨氧化活性仅为30℃时的6%.温度降低导致厌氧氨氧化工艺中N₂O的释放减少,温度降低时反硝化速率的降低是导致N₂O产生速率降低、N₂O积累减少的主要原因.厌氧氨氧化工艺微生物群落中存在丰富的异养反硝化菌,工艺中N₂O积累主要是反硝化菌产生和消耗N₂O的结果.     

诺氟沙星对地下水中反硝化过程的影响:反硝化酶活性的证据

为探究不同初始浓度诺氟沙星对地下水反硝化过程中NO₃^--N和NO₂^--N降解的影响,选取以乙酸钠为电子供体,硝酸盐为电子受体驯化的反硝化细菌进行厌氧反硝化批实验研究,从反硝化细菌生长特性和反硝化酶活性等方面揭示诺氟沙星对反硝化过程的影响机制.结果表明,浓度为10 μg·L^-1和100 μg·L^-1的诺氟沙星对反硝化细菌的生长及NO₃^--N降解均有抑制作用,100 μg·L^-1诺氟沙星对NO₃^--N降解的抑制程度更大,抑制率为77.3%;且100 μg·L^-1诺氟沙星减少了NO₂^--N积累,最大积累量降低了67.9%.诺氟沙星初始浓度大于10 μg·L^-1时抑制了硝酸盐还原酶活性,在此过程中,亚硝酸盐还原酶活性在一定程度上有所增强.反硝化酶活性与NO₃^--N及NO₂^--N降解规律相符.因此,诺氟沙星对反硝化酶活性的控制作用是其影响反硝化过程的主要原因.     

菌株ZD8的分离鉴定及其异养硝化和缺氧/好氧反硝化特性研究

从稳定运行的ASBR厌氧氨氧化反应器中分离筛选出一株在缺氧和好氧条件下均具有高效反硝化能力的菌株ZD8,该菌株为假单胞属(Pseudomonas sp.),大小2 μm×0.25 μm,无鞭毛和芽孢.实验结果表明,缺氧条件下,ZD8最适合的碳源为柠檬酸钠;当C/N为10时,具有最佳的反硝化效果.菌株ZD8在缺氧条件下不具有硝化能力.在好氧条件下菌株ZD8获得最佳反硝化效果的C/N为22,最适合pH范围是7.2~9.9.菌株ZD8在好氧条件下具有高效的异养硝化能力,NH₄⁺-N平均去除速率为8.3 mg·L^-1·h^-1.当以KNO₃为氮源时ZD8的反硝化速率为13.1 mg·L^-1·h^-1;而以NaNO₂为氮源时,其反硝化速率为6.98 mg·L^-1·h^-1.在同时存在NH₄⁺-N和NO₃^--N或NH₄⁺-N和NO₂^--N的系统中,菌株ZD8均首先利用NH₄⁺-N发生硝化作用,NH₄⁺-N的存在对反硝化具有抑制作用,并且NH₄⁺-N对NO₂^--N的反硝化抑制作用更强;在同时存在NO₃^--N和NO₂^--N的系统中,菌株ZD8优先利用NO₃^--N进行好氧反硝化脱氮.     

几种模型物质在氯化中形成THMs、HAAs的特性研究

以胃蛋白酶(蛋白质)、谷胱甘肽(氨基酸多肽)、葡萄糖(糖类)作为模型物质代表藻来源有机物,并以Fluka腐殖酸为对照,研究其耗氯量、三卤甲烷(主要是氯仿)、卤乙酸(主要是二氯乙酸(DCAA)、三氯乙酸(TCAA))的形成情况.结果显示4种模型物质在氯化后,其余氯在前2 h迅速降低,6 h后则下降速度渐缓;其中耗氯量最大的是谷胱甘肽(96 h:7.1 mg·mg^-1(以每毫克碳计,下同)),其次是胃蛋白酶(96 h:4.2 mg·mg^-1)、腐殖酸(96 h:3.0 mg·mg^-1),而葡萄糖最小(96 h:0.7 mg·mg^-1).4种模型物质氯仿、DCAA、TCAA的生成速度也是在起初的2 h较快,随后渐缓;但从单位碳的产量来看,腐殖酸和胃蛋白酶形成氯仿(96h: 15.1~55.2 μg·mg^-1(以每毫克碳计,下同))、DCAA(96 h: 15.1~55.2 μg·mg^-1)、TCAA(96h: 15.1~55.2 μg·mg^-1)均较多,而谷胱甘肽、葡萄糖则相对较少(氯仿-96 h:2.5~5.1 μg·mg^-1;DCAA-96 h:0.6~8.0 μg·mg^-1;TCAA-96 h:0.12~3.8 μg·mg^-1);而从前驱物特性来说,氯仿、TCAA的前驱物具有较高的芳香度(即高的SUV₂₅₄值),而DCAA前驱物的SUV₂₅₄相对较低.对于富含蛋白质、多肽、糖类等的富营养化饮用水源,则要格外注意饮用水中DCAA所带来的健康风险.     

人工湿地氮转化与氧关系研究

应用N转化迁移模型分析廊道式人工湿地氮转化与氧供应的关系,验证目前湿地全程硝化反硝化脱氮机制的有效性.对各个廊道进出水NH₄⁺-N、NO₃^--N、TN、B₅、DO进行了测定和分析.在水力负荷5cm/d条件下,各廊道湿地有机氮矿化率为0.01～0.28g·(m²·d)^-1、氨氮硝化率0.50～1.54 g·(m²·d)^-1,反硝化率0.41～1.13 g·(m²·d)^-1(占总氮损失的3.4%～35.4%)、植物净吸收氮0.07～0.26 g·(m²·d)^-1(占总氮损失的7%～33%).硝化反硝化与有机质降解同时进行,在进水端最明显,这与传统认识相悖.按照全程硝化化学计量学得到的硝化需氧量(NOD)高于实际的表面复氧和植物根系放氧.最后对在高浓度有机质存在条件下,能减少对氧需求的2种新型脱氮机制进行了讨论.