生活垃圾焚烧厂周边土壤硝化和反硝化功能基因分布特征及影响因子

以上海某垃圾焚烧厂为研究对象,采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和荧光定量PCR定量分析了其周边土壤中重金属(Cd、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和As)含量水平,及不同硝化和反硝化功能基因丰度(AOB-amoA、nxrB、narG、nirS、norB和nosZ),并通过空间插值法分析了目标重金属与硝化和反硝化功能基因的空间分布特征,同时通过相关性分析和冗余分析探讨了土壤重金属及其理化性质对硝化和反硝化功能基因丰度变化的作用影响。结果表明,研究区域土壤中Cd、Pb、Cu、Ni、Cr、Zn和As的含量分别为0.083~1.065、15.54~43.17、18.30~65.52、24.58~41.65、65.04~201.0、58.96~153.5和0.098~5.115 mg·kg~(-1),而土壤中AOB-amoA、nxrB、narG、nirS、norB和nosZ基因丰度分别为4.89×10~2~1.34×10~5 copies·g~(-1)、5.43×10~6~5.41×10~7 copies·g~(-1)、1.21×10~6~7.91×10~6 copies·g~(-1)、3.79×10~6~7.39×10~7 copies·g~(-1)、1.61×10~5~1.33×10~7 copies·g~(-1)和1.44×10~4~2.18×10~5 copies·g~(-1)。由空间插值分析结果可知,土壤中重金属主要来源于焚烧烟气排放沉降,硝化和反硝化功能基因的空间分布特征与土壤总氮及重金属均具有相似性。相关性分析和冗余分析结果显示,除Cd和Zn外,其余重金属含量对硝化和反硝化功能基因丰度影响不显著,表明垃圾焚烧厂周边土壤中重金属污染对氮循环过程影响较小。相比之下,土壤理化性质如总有机碳、总氮等对硝化和反硝化功能基因丰度影响更显著。该研究可为相关地区垃圾焚烧厂周边土壤重金属污染控制及微生物生态风险评价提供参考。     

室内粪土模型中土霉素对主要反硝化基因转录水平和菌群结构特征的影响

反硝化作用在土壤氮素循环中扮演着重要角色,而国内研究抗生素残留对反硝化作用的报道仍然较少。本实验通过构建室内抗生素-粪便-土壤模型,以研究空白组(0μg·kg~(-1))、低浓度组(20μg·kg~(-1))、中浓度组(200μg·kg~(-1))和高浓度组(2000μg·kg~(-1))土霉素对施加鸡粪后土壤中反硝化作用的影响。利用荧光定量PCR(qPCR)和限制性末端片段长度多态性(TRFLP)方法分析反硝化基因(nirS、nirK、narG和nosZ)的响应特征及反硝化菌群结构特点。qPCR定量结果表明低、中浓度土霉素对携带nirS、nirK基因的菌群有促进作用,而高浓度组则表现为抑制作用,而携带nosZ基因的菌群对土霉素的胁迫反应较迟钝。T-RFLP结果显示不同浓度土霉素并没有改变携带nirS基因和nosZ基因的优势菌群结构,而随着暴露时间的延长,携带nirS基因的反硝化优势片段在第30～60天之间发生了变化。这些结果表明不同浓度土霉素可以影响反硝化菌群丰度,但是却无法影响优势菌群,而土壤中其他因素可能对优势菌群的影响更大。     

氧化亚氮还原酶基因nosZⅡ及与环境的关系研究进展

温室效应在全球范围内日趋严重.其中氧化亚氮(N2O)作为最重要的温室气体之一,增温潜能是二氧化碳(CO2)的298倍,且其浓度仍呈逐年上升趋势.氧化亚氮还原酶(N2OR)能将N_2O还原成氮气(N_2),而nosZ基因是编码N_2OR的唯一基因.除了熟知的nosZⅠ基因外,新发现的分支nosZⅡ基因也能编码N_2OR.在国内外研究基础上本文总结nosZⅡ基因的基本概况,分析其与nosZⅠ的主要区别,阐述其相关反应机制,并归纳不同环境因素对nosZⅡ基因表达的影响.研究表明,nosZⅡ主要存在于ε-变形细菌、拟杆菌、产水菌中,含nosZⅡ的微生物中有部分种群缺乏nirS和nirK基因,且该类微生物在还原N_2O功能上具有较大潜能.影响含nosZⅡ微生物的丰度和种群结构的环境因子较多,主要包括土壤结构、土壤pH值、土壤C/N、温度、湖泊物理梯度等,其中pH值和C/N可能是主要的影响因素.随着分子生物技术手段的进步,对含nosZⅡ微生物的生态功能的探索已取得了重要进展,但还需进一步深入.今后还需对含nosZⅡ的微生物群落结构特征、微生物丰度和多样性影响因素以及对具有较强还原N_2O能力的含nosZⅡ菌株进行更深入的研究,为降低N_2O排放、有效减控温室气体提供理论依据.     

间隙灌溉和控释肥施用耦合措施对稻麦轮作系统土壤微生物群落丰度的影响

间隙灌溉模式下控释肥施用可减缓稻麦轮作系统CH_4和N_2O排放交互排放效应,从而降低综合温室效应,然而有关间隙灌溉和控释肥施用耦合措施对稻麦轮作系统土壤微生物的影响鲜有研究。通过采集稻麦轮作系统田间原位试验新鲜土样,采用核酸定量技术研究间隙灌溉和控释肥施用耦合措施下稻麦轮作系统土壤微生物群落丰度的变化,以探讨此耦合措施降低稻麦轮作系统降低CH_4和N_2O排放的微生物机理。结果发现,除古菌外,稻季土壤细菌、产甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化菌群落丰度均高于麦季;间隙灌溉显著影响稻田产甲烷菌、甲烷氧化菌、氨氧化菌和反硝化菌数量的季节变化;与尿素相比,施用控释肥增加了稻麦轮作系统细菌、古菌和产甲烷菌数量,降低了甲烷氧化菌、氨氧化菌、反硝化菌数量。稻季CH_4和N_2O的排放量与土壤微生物丰度之间存在显著相关性:CH_4排放量与古菌、产甲烷菌和甲烷氧化菌数量均呈极显著正相关关系(P0.01),而与氨氧化菌数量呈显著负相关关系(P0.05);N_2O排放量与氨氧化菌、甲烷氧化菌、nirK型和nosZ型反硝化菌数量均呈显著正相关关系(P0.05),而与nir S型反硝化菌无显著相关性。研究表明,间隙灌溉和控释肥施用耦合措施通过影响稻麦轮作系统相关功能微生物的群落丰度进而减缓CH_4和N_2O气体的交互排放效应。     

白洋淀水陆交错带N20还原酶基因（nosE）与反硝化活性的垂直分布研究

为深入剖析水陆交错带N2O释放热区的机理,选择白洋淀一处典型水陆交错带为研究对象。通过对其纵剖面（0～80cm）分层土壤样品的理化指标、反硝化速率（DNR）、N2O产生速率及N2O还原酶基因（NosZ）丰度和多样性的分析发现,在水陆交错带陆域纵剖面中,表层土壤（0～10cm）的反硝化速率（DNR）和N2O产生速率均最高,分别为65．8和9．41nmol·g^-1·h^-1（以N及dw计）;表层（0～10cm）和亚表层（10～20cm）土壤的nosZ基因丰度最高（分别为1．00×10^10genecopies·g^-1dw和9．23×10^9genecopies·g^-1dw）且没有显著性差异（p〈0．05）。生物多样性指数表明,表层土壤的nosZ基因生物多样性高于底层;在系统发育树中,表层和底层土壤的nosZ基因序列并没有明显的界限。Pearson相关性分析表明,在典型水陆交错带陆域纵剖面中,nosZ基因丰度与N2O／N2O＋N2）呈负相关关系（r=0．766,p〈0．05）,表明在水陆交错带区域nosZ基因丰度是N2O转化的指示指标。     

天津市海河温室气体排放特征与影响因素研究

河流生态系统是内陆水体温室气体重要的排放源,城市河流由于受人为活动干扰较大其温室气体排放特征及控制因子与自然河流不同。为探讨人为活动对城市河流温室气体的排放的影响,选择天津市海河为研究对象,于2019年12月(冬季)及2020年7月(夏季),对水体温室气体溶存浓度及扩散通量进行监测,分析海河温室气体排放时空特征及关键驱动因素。结果表明,冬季海河水体CH_4、CO_2、N_2O平均浓度分别为(0.32±0.42)μmol·L~(-1)、(102.19±64.07)μmol·L~(-1)、(63.78±34.21)nmol·L~(-1),其平均通量分别为(5.54±9.72)μmol·m~(-2)·h~(-1)、(865.85±394.74)μmol·m~(-2)·h~(-1)、(965.87±844.63) nmol·m~(-2)·h~(-1)。夏季海河水体CH_4、CO_2、N_2O平均浓度分别为(0.72±0.81)μmol·L~(-1)、(75.00±57.87)μmol·L~(-1)、(19.43±6.23) nmol·L~(-1),其平均通量分别为(27.99±29.60)μmol·m~(-2)·h~(-1)、(3 281.88±3 425.55)μmol·m~(-2)·h~(-1)、(558.73±298.67) nmol·m~(-2)·h~(-1)。在海河水体中CO_2浓度和通量呈现出上游大于下游的空间特征,而CH_4、N_2O浓度和通量呈现出上游小于下游的空间特征。海河二道闸的存在及人为调控对海河上下游水质及温室气体排放影响较大。在季节特征上,除CO_2通量、CH_4浓度和通量外,均呈现冬季大于夏季的季节分布特征。海河水体中DO、NO_3--N、DOC和CODMn是控制海河中温室气体浓度和通量的关键影响因子。海河水体中温室气体的产生不仅与水体中微生物功能有关,还与富含氮、磷等营养物质的工农业废水和生活污水的排放有关,人为活动影响和决定了海河温室气体排放模式及主要控制因子。     

西双版纳不同演替阶段热带森林土壤N_2O排放的时间特征

氧化亚氮(N_2O)是导致全球变暖的一种重要温室气体。探明热带森林土壤N_2O排放动态及调控机制是全球变化及国际气候谈判的一个重要内容。为探明热带森林不同次生演替对土壤N_2O排放通量时间变化的影响,以西双版纳不同演替阶段热带森林[白背桐(Mallotus paniculatus)群落、崖豆藤(Mellettia leptobotrya)群落和高檐蒲桃(Syzygium oblatum)群落]为研究对象,采用静态箱-气相色谱法对土壤N_2O排放通量动态进行定位观测。探究这些变化与土壤温度和水分及理化性质之间的相互关系。结果表明:(1)不同次生演替阶段热带森林土壤N_2O排放通量存在显著差异,其大小顺序为:高檐蒲桃群落(462.4μg·m~(-2)·h~(-1))崖豆藤群落(378.93μg·m~(-2)·h~(-1))白背桐群落(310.68μg·m~(-2)·h~(-1));(2)不同次生演替阶段热带森林土壤N_2O排放通量月份变化趋势基本一致,均表现为6月显著高于12月,且各月份间差异显著;(3)土壤易氧化有机碳、水解氮、硝态氮和铵态氮显著影响土壤N_2O排放通量的时间变化,而土壤容重和pH值与土壤N_2O排放通量呈显著负相关。因此,土壤N_2O排放对西双版纳不同演替阶段热带森林群落具有敏感的响应,土壤温度、水分、易氧化有机碳、水解氮、硝态氮及铵态氮是土壤N_2O排放时间变化的主控因素。     

不同滨岸带土壤反硝化潜力及影响因子

以太湖西部3个中小流域为研究区,于2017年7月15日—20日,采集各流域内3种典型滨岸带表层(0—20 cm)土壤,测定土壤理化性质和反硝化潜力,探讨不同流域滨岸带土壤反硝化潜力的差异和变化规律,并确定土壤反硝化潜力的主要影响因子.研究结果表明,各流域土壤反硝化潜力存在明显差异,天目湖流域、合溪流域和苕溪流域土壤反硝化潜力分别为0.294±0.226 (μg N (N_2O)·(g·h)~(-1))、0.542±0.327 (μg N (N_2O)·(g·h)~(-1))和0.821±0.494 (μg N (N_2O)·(g·h)~(-1)),总体表现为城镇化程度越高,土壤反硝化潜力越大.在相同流域内,林地滨岸带土壤反硝化潜力最大,其次为草地滨岸带和荒地滨岸带.相关分析结果表明,土壤反硝化潜力与土壤含水率、硝态氮含量、有机质含量和微生物碳含量都显著正相关(n=54,P0.01).结合回归分析,表明土壤含水率、硝态氮含量和微生物量碳含量是苕溪流域滨岸带土壤反硝化潜力的主要影响因子;土壤有机质含量和硝态氮含量分别是合溪和天目湖流域滨岸带土壤反硝化潜力的主要影响因子.综上,滨岸带土壤反硝化潜力与人类活动强弱有密切联系,其主要影响因子在不同城镇化背景下的流域间也各不相同.     

蓝藻水华对太湖氧化亚氮排放的影响

为考察蓝藻水华对氧化亚氮(N_2O)排放的影响,于2016年8月对太湖不同藻华暴发区表层水体中N_2O浓度进行了测定。结果表明,太湖水体中N_2O浓度具有较大的空间差异性,其中河口区最高,平均约26.8μmol·m~(-3),而梅梁湾东北部区和太湖开敞区最低,平均仅4.0μmol·m~(-3)。相关性分析结果表明,太湖表层水体中N_2O与叶绿素a(Chl-a)浓度呈显著正相关(P0.05)。室内微宇宙模拟试验结果显示,在硝酸盐氮充足的条件下添加少量蓝藻的处理组[ρ(Chl-a)约为80μg·L~(-1)]N_2O释放通量显著高于对照组[ρ(Chl-a)约为30μg·L~(-1),P0.001]。但是随着蓝藻添加量的增加,N_2O的释放通量又呈显著下降趋势(P0.001),这表明在氮不受限的条件下,一定浓度的蓝藻可促进N_2O的产生,而高浓度的蓝藻则可能对N_2O的释放起抑制效应。乙炔抑制试验中,N_2O产生速率则随着Chl-a浓度的增加急剧升高,说明微宇宙中的高浓度蓝藻可能同时加快了N_2O的产生和消耗,从而抑制了水体中N_2O的排放。     

黄河三角洲养殖塘水-气界面CO_2、CH_4和N_2O通量特征

随着经济的增长和人口的增加,沿海地区养殖业迅速发展,故养殖区水-气界面的CO_2、CH_4和N_2O交换通量对大气中温室气体浓度的影响不容忽视。以黄河三角洲神仙沟(桩11)南部的养虾塘为研究对象,于2013年6月—2014年4月,采用漂浮箱-气相色谱法对养殖塘白天水-气界面CO_2、CH_4和N_2O通量进行观测,并同步测定养殖塘部分环境因子。结果表明,黄河三角洲养殖塘CO_2、CH_4和N_2O的通量范围分别为-71.140 3~7.278 6、-0.005 8~0.016 5、-0.002 0~0.007 9 mg·m~(-2)·h~(-1),均值分别为-36.347 5、0.005 9、0.002 7 mg·m~(-2)·h~(-1),整体上表现为从大气吸收CO2的汇和向大气排放CH_4和N_2O的源。养殖塘温室气体通量存在明显的季节变化特征,在温度较高的夏秋季,CH_4和N_2O排放通量较大。相关性分析结果表明,温度、盐度、SO_4~(2-)、Cl~-和磷水平对养殖塘温室气体具有一定的影响,且盐度与N_2O通量、SO_4~(2-)浓度与CO_2通量之间的相关性达到显著水平。黄河三角洲养殖塘温室气体通量与自然水体和其他地区养殖塘存在较大差异,其中,地理位置的差异、养殖方式、杀菌剂的使用等环境因子和人为因素的作用显著。此外,养殖塘作为受人为干扰严重的水体,表现为多因子共同作用的结果,这一结论还有待于进一步的研究。研究结果对于综合评价水产养殖对区域气候变化的影响,深化人类活动对全球变暖的影响认识具有一定意义。     

太湖西部入湖口沉积物中有机物分布及其潜在指示意义

太湖作为重要的工农业用水水源以及周边居民饮用水源,其水质安全受到高度关注。在太湖西部入湖口采集7个沉积物样品,研究了合成麝香、多环芳烃(PAHs)、有机磷酸酯阻燃剂/增塑剂(OPs)和有机氯农药(OCPs)含量水平和分布规律。研究结果表明,沉积物中多种污染物分布广泛,含量水平差异较大。其中,Σ15PAHs含量371 ng·g~(-1)~2.53$103ng·g~(-1),主要来源于生物质燃烧和化石燃料高温裂解;沉积物中检出4种多环麝香,主要组分为佳乐麝香(HHCB)(0.0792 ng·g~(-1)~1.17 ng·g~(-1))和吐纳麝香(AHTN)(0.123 ng·g~(-1)~1.29 ng·g~(-1)),它们指示了太湖水体已遭受一定程度生活污水输入影响;沉积物中Σ6OPs含量范围为1.63 ng·g~(-1)~21.9 ng·g~(-1),主要污染组分为磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)和磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP),并呈现明显的点源排放特征;沉积物中六六六系列(HCHs)(0.310 ng·g~(-1)~1.11 ng·g~(-1))和滴滴涕系列(DDTs)(0.551 ng·g~(-1)~6.40 ng·g~(-1))主要来源于历史残留。位于太滆流域的几个入湖口沉积物中多种污染物含量多高于浙江省辖区3个入湖口沉积物。     

冬季北黄海溶解态CH_4和N_2O的浓度分布及海-气交换通量

2014年1月开展了北黄海表层海水中溶解态甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O)浓度及海水温盐等参数的观测研究.结果显示,冬季北黄海表层海水溶解态CH_4和N_2O的浓度范围分别为4.3—7.3 nmol·L-1和12.8—14.9 nmol·L-1,饱和度范围分别为150%—255%和128%—149%,是大气CH_4和N_2O的源.通过针对性开展温盐数据校正,区域和全球尺度大气CH_4和N_2O摩尔分数参考值的对比计算等关键过程的研究,优化提高了溶解态CH_4和N_2O饱和度及海-气交换通量计算方法和结果的准确度,得出1月份海-气CH_4和N_2O交换通量分别为6.3±5.1μmol·m-2·d-1和9.4±8.0μmol·m-2·d-1(W2014).并结合文献报道的春、夏、秋季节观测结果,将北黄海N_2O年释放量修订为1.02×10-2Tg.     

硝化抑制剂对覆膜稻田CH_4和N_2O排放的影响

为明确硝化抑制剂对覆膜稻田CH_4和N_2O排放的影响,采用静态箱-气相色谱法和荧光定量PCR技术研究了双氰胺(Dicyandiamide,DCD)和2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(Nitrapyrin,CP)两种硝化抑制剂的配施(处理为:覆膜施用尿素,PM;覆膜施用尿素配施DCD,PM+DCD;覆膜施用尿素配施CP,PM+CP)对覆膜栽培下稻田CH_4和N_2O排放及其相关功能菌群落丰度的影响。结果表明:整个水稻生长期,配施DCD(PM+DCD)显著降低N_2O季节总排放(P0.05),降幅达24%,提高CH_4季节总排放(P0.05);配施CP(PM+CP)同时降低CH_4和N_2O的季节总排放,降幅均为11%。CH_4排放主要集中在水稻分蘖盛期,此阶段,配施DCD显著提高产甲烷菌群落丰度,降低甲烷氧化菌群落丰度(P0.05),而配施CP则降低产甲烷菌群落丰度,显著提高甲烷氧化菌群落丰度(P0.05),这可能是由于配施DCD提高了CH_4排放总量而配施CP降低了CH_4排放。在N_2O排放集中时期(水稻生长前期),配施DCD和CP均降低了氨氧化菌群落丰度,显著提高了反硝化菌群落丰度的趋势(P0.05)。配施DCD(PM+DCD)、配施CP(PM+CP)和覆膜栽培(PM)处理的碳交易成本GWP-cost分别为831、735和822 yuan·hm~(-2);温室气体排放强度GHGI分别为0.69、0.61和0.70 t·t~(-1);产量分别为9.20、9.24和9.00 t·hm~(-2)。因此,综合考虑温室气体效应和经济效益,覆膜栽培稻田模式下,配施CP可以保证增产和减排,值得推广。     

典型菜地土壤剖面N_2O浓度、扩散通量与净周转率变化

利用地下气体原位采集系统-气相色谱法,周年监测休耕裸地与轮作菜地(茼蒿-空心菜-大青菜)7、15、30和50 cm土层N_2O浓度变化,旨在探究菜地土壤剖面N_2O扩散通量变化和净周转率.结果显示:菜地土壤剖面N_2O浓度呈现较大的时空变异性,轮作菜地7、15、30和50 cm土层N_2O平均浓度分别达到休耕裸地对应土层的1.9、8.7、9.2与26.7倍,0-30 cm土层土壤N_2O浓度随土层深度增加而增加,30-50 cm土层逐渐降低,表明氮肥施用显著促进了上层土体内N_2O的产生.休耕裸地与轮作菜地4个土层N_2O扩散通量(以N计)变幅分别为-354-420μg m~(-2)h~(-1)与482-1 510μg m~(-2)h~(-1),其中休耕裸地30-50 cm土层N_2O扩散通量为负值,表明该土层N_2O以吸收为主.轮作菜地7-15 cm土层N_2O扩散通量最高为1 510μg m~(-2)h~(-1),分别比0-7 cm、15-30 cm与30-50 cm高68.1%、2.5%与36.6%,表明7-30 cm为N_2O的主要产生位点.休耕裸地与轮作菜地0-15 cm土层间N_2O净周转率以负值为主,15-50 cm以正值为主,表明N_2O的周转在土壤剖面中层(7-30cm)最快.综上,N_2O浓度在土层中的分布情况为从上到下先增加后减少,主要产生位点于30 cm土层并从该层向其上下层扩散输送;结果可为菜地土壤N_2O产生位点的定位及其转化过程的研究提供参考.(图4表2参33)     

粪食性金龟功能群对草原牛粪分解过程中温室气体排放的影响

粪食性金龟作为生态系统的工程师,在动物粪便分解和有机质转移中具有重要作用。通过在内蒙古典型草原区设立粪分解隔离实验,设置无粪金龟处理(T0)、泥蜉金龟(Aphodius sordecens)处理(T1)、小驼嗡蜣螂(Onthophagus gibbulus)处理(T2)、2种粪金龟组合处理(T3)和仅土壤对照处理(CK)5个处理,测定各处理牛粪分解过程中二氧化碳(CO_2)、甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O)排放通量后计算得到CO_2总量,并分析温室气体排放通量与环境因子之间的关系。结果表明,CK处理牛粪分解产生温室气体主要为CO_2(2 106 mg·m~(-2)·h~(-1)),而CH_4(2.769 mg·m~(-2)·h~(-1))和N_2O(0.019 mg·m~(-2)·h~(-1))较少。与T0处理相比,T1处理CO_2总量(2 657 mg·m~(-2)·h~(-1))显著增加(P0.05),而T2处理(2 422 mg·m~(-2)·h~(-1))和T3处理(2 398 mg·m~(-2)·h~(-1))CO_2总量无显著差异(P0.05)。不同粪食性金龟功能群对温室气体排放的影响随粪便分解时间和环境条件而异,在新鲜粪便期,T2处理温室气体排放显著减少(P0.05),而T1和T3处理变化不显著(P0.05);在粪便干燥期,粪金龟对温室气体排放影响不显著(P0.05)。温室气体排放通量与土壤温度呈显著正相关(P0.001),中等湿度条件下甲烷(P0.001)和二氧化碳(P0.01)通量较高。适当的温度和湿度条件会促进草原牛粪分解过程的温室气体排放,2种粪食性金龟均可在不同时期影响粪便分解过程中温室气体排放量。     

纳米氧化铁对水稻土CH_4和N_2O排放及微生物的影响

纳米氧化铁的广泛应用增加了其不断进入农田生态系统并逐渐累积的可能性,为了解纳米氧化铁对土壤温室气体排放的影响,以江苏扬州和江西鹰潭地区两种pH条件的水稻土为研究对象,采用微宇宙试验模拟不同浓度水平纳米氧化铁颗粒(0.5、5、50、500 mg/kg)暴露水平下两种水稻土CH_4和N_2O气体排放情景,设置相同水平的微米氧化铁作为纳米效应的对照,并采用实时荧光定量PCR技术解析产甲烷和反硝化过程功能基因的丰度对纳米氧化铁的响应.结果表明,微米氧化铁和纳米氧化铁均不会显著改变28 d培养期间两种pH条件水稻土的CH_4和N_2O累积排放量.而在前3d的培养初期,添加5 mg/kg浓度以上纳米氧化铁颗粒条件下,扬州地区典型水稻土的CH_4气体排放速率显著增加,鹰潭地区典型水稻土的CH_4气体排放速率显著降低.在培养3 d以后的同一培养期添加0.5-500 mg/kg纳米氧化铁颗粒对两种水稻土的CH_4气体排放速率无显著影响.添加纳米氧化铁和微米氧化铁材料未显著改变两种水稻土的N_2O气体排放速率.荧光定量PCR结果表明,纳米氧化铁和微米氧化铁材料对水稻土中产甲烷古菌16S rRNA基因、narG、nirK/nirS、cnorB和nosZ等反硝化功能基因均没有显著影响.综上,从对水稻土CH_4和N_2O气体排放的影响角度来说,纳米级的氧化铁颗粒属于环境友好型纳米材料,对稻田生态系统中的土壤气体排放不会产生显著性严重干扰.(图7表3参39)     

贵州草海人工湿地系统硝化-反硝化作用研究

人工湿地作为新兴的污水生态处理技术在村镇污水处理中得到广泛使用,系统中氮去除的最主要途径是微生物的硝化-反硝化作用。研究湿地污水处理系统微生物硝化-反硝化作用,对湿地污水处理工艺的优化及运行管理具有重要意义。2013年分春、夏、秋、冬四季对贵州草海污水湿地处理工程进行采样,研究了长期运行的湿地污水处理系统中氮循环菌数量、硝化-反硝化作用时空分布特征和系统内氮的空间分布规律。结果表明,草海污水人工湿地处理系统对TP和COD的处理效果较好,去除率分别达到57.8%和80.8%,但对TN和NH_4~+-N的去除率仅为43.3%和38.6%;硝化-反硝化作用在草海人工湿地系统中同时发生,硝化作用强度为0.9 mg·kg~(-1)·h~(-1),反硝化强度为30.5 mg·kg~(-1)·h~(-1),反硝化强度是硝化强度的30倍;硝化-反硝化作用在季节上均表现为夏季最高、春季最低,水平空间上呈逐级降低趋势;硝化-反硝化作用强度与总氮去除率呈现显著负相关(P0.05);4类脱氮细菌中,氨化细菌数量最大,高达10~9 MPN·g~(-1),反硝化菌次之,亚硝化菌最低,仅10~2 MPN·g~(-1);脱氮细菌数量与总氮去除率相关性不显著,脱氮过程可能受亚硝化菌的限制。总之,由于长期运行的人工湿地系统缺乏氧气,导致反硝化作用远大于硝化作用,硝化-反硝化作用的失衡最终影响湿地脱氮效率。因此,针对长期运行的人工湿地系统可以通过强化供氧促进硝化作用从而提高湿地脱氮效果。     

进水氮负荷波动下地下渗滤系统N_2O释放研究

地下渗滤系统(subsurface wastewater infiltration system,SWIS)是一种生态化的污水处理技术模式,在处理小水量、分散污水方面具有较为明显的技术优势,例如管理简单、运行费用低、兼具生态服务功能等。SWIS对污水中氮的去除主要依靠微生物硝化-反硝化作用,脱氮效果受内外部条件因子制约。当基质层内部溶解氧含量不足、NO_2~-积累、氧化亚氮还原酶活性受到抑制时,硝化和反硝化过程均可释放N_2O气体。进水水质、操作条件、温度等因素影响N_2O释放量和转化率。利用原位实验平台,采用静态箱-气相色谱分析方法,以实际生活污水为研究对象,分析了进水氮负荷波动条件下SWIS中N_2O产率、转化率和释放周期的变化规律。研究表明,进水氮负荷显著影响SWIS除污效率、N_2O产率和转化率。随着进水氮负荷由1.6 g·m~(-2)·d~(-1)增至7.2 g·m~(-2)·d~(-1),出水COD、NH_4~+-N、TN质量浓度分别由(9±3)、(0.4±0.1)、(1.5±0.11)mg·L~(-1)升高到(70±7)、(11.0±1.0)、(15.4±0.4)mg·L~(-1);N_2O产率与转化率表现出先升高后降低的趋势,其中,N_2O产率可高达(60.6±2.0)mg·m~(-2)·d~(-1),同时,进水总氮(转化率1.33%±0.03%)转化成N_2O逸出系统;随着系统落干时间的延长,N_2O产率呈下降趋势。综合考虑处理能力、出水水质和N_2O释放量,建议在工程应用中,选用具有一定脱氮能力的前处理工艺,控制SWIS进水氮负荷在4.0~5.6g·m~(-2)·d~(-1)之间,且适当延长SWIS干化周期。此时,出水水质满足城市景观地表水水质标准(GB/T18921—2002),N_2O产率和转化率均维持在较低水平。     

沟渠N_2O排放研究进展

沟渠作为一种特殊的湿地生态系统,具有很高的氧化还原能力和温室气体排放潜力,其突出特点为干湿交替频繁,受人为扰动大。沟渠湿地作为氧化亚氮(N_2O)的重要排放源,其排放通量受沟渠的基质理化性质、水文、植被和外源养分输入等多种因素影响。综述了国内外沟渠中N_2O排放通量的测定方法,对不同地区村镇生活污水排放沟渠和农田排灌沟渠两种主要类型沟渠中N_2O排放通量进行对比和总结,将沟渠中N_2O排放通量时空差异及影响因素进行对比分析,并提出展望,即深入沟渠硝化-反硝化容量的研究、综合考虑各因子对N_2O排放的影响等,以期为沟渠的环境友好管理提出建议。     

土壤反硝化过程速率测定方法

土壤反硝化过程是指土壤中的硝酸盐、亚硝酸盐等含氮物质在反硝化微生物的作用下还原成氮气(N_2)、一氧化氮(NO)、氧化亚氮(N_2O)等气体的过程,是氮循环中重要的过程之一.反硝化的中间产物N_2O是一种重要的温室气体,其中从土壤中释放的量占地球总排放量的70%.反硝化作用主要由硝酸盐还原酶(nitrate reductase,Nar)、亚硝酸还原酶(nitrite reductase,Nir)、一氧化氮还原酶(nitric oxide reductase,Nor)和氧化亚氮还原酶(nitrous oxide reductase,Nos)所催化,相应的编码基因分别为nar、nir、nor和nos.多种土壤反硝化速率测定方法因技术、设备、实验设计等原因存在不同优缺点,据此在自己的研究中选择合适的方法至关重要.测定土壤反硝化的方法目前主要有乙炔抑制法、~(15)N同位素示踪法、N_2直接测定法、硝酸盐消失法、质量守恒法和化学计量法等6种方法.乙炔抑制法,操作简单,但是不适合土壤养分含量低的土壤;~(15)N同位素示踪法测定结果比较精确,但是价格昂贵,成本高;N_2直接测定法则需要精密的仪器.今后反硝化过程测定方法的发展不仅是测量方法的改进,也需要注重精密仪器的研发.(表3参62)