不同氧化还原电位条件下稻田土壤中15N标记硝态氮的反硝化作用

 氧化还原状况是影响土壤中反硝化作用的主要环境因子之一通过不同氧化还原条件下¹⁵N标记硝态氮反硝化作用的培养试验，结合¹⁵N气态损失的直接测定方法．研究了反硝化作用发生的氧化还原条件，可为进一步阐明稻田土壤中硝化－反硝化作用氮素损失发生机制提供直接依据．结果表明，氧化和还原条件下均能进行硝态氮的反硝化作用；在4周的培养试验期间，直接测得的氧化（Eh₇－290－330mV）和还原（Eh₇－114－42mV）条件下的¹⁵N气态损失分别占加入量的60.23±8.04％和83.89±4.79％．但是，氧化条件下反硝化作用速率明显减缓，外加的硝态氮的半衰期延长，显示了溶解O₂对反硝化作用的抑制作用对反硝化作用进程的模型研究表明速率常数及相应的半衰期作为土壤反硝化作用潜在能力的衡量指标可能优于传统的土壤反硝化势表征方法（反硝化作用百分率），而¹⁵N示踪－质谱计法直接测定与模型研究相结合则有可能对土壤及其他环境中的反硝化作用作出更恰当的评价．     

废水反硝化除氮

反硝化是ＮＯ３＾－在反硝化细菌作用下，经ＮＯ２＾－、ＮＯ、Ｎ２Ｏ被还原为Ｎ２。反硝化对ＮＯ３＾－及有机基质呈零级动力学反应。文章还介绍了生物反硝化的生化反应，反硝化细菌以及基质、温度、溶解氧、ＰＨ对反硝化作用的影响。     

人为干扰对闽江河口湿地土壤硝化-反硝化潜力的影响

选择闽江河口芦苇湿地为研究对象,研究了人为干扰活动(养殖塘、污染物排放和农业活动)对湿地土壤硝化-反硝化潜力的影响.结果表明,人类干扰活动对湿地土壤硝化和反硝化潜力均具有显著影响,4种土壤的硝化潜力表现为水稻田>养殖塘>排污闸口>芦苇湿地,其最大硝化率分别为103.45%、99.38%、12.58%和4.16%,而反硝化作用的变化规律则与之相反,24d内的最大反硝化率分别为21.89%、26.95%、78.15%和88.28%,说明人类干扰和管理程度越大,土壤硝化潜力越大,反硝化潜力越弱.土壤NO3--N含量是闽江河口地区不同人为干扰方式下土壤硝化-反硝化作用差异的重要指示指标,土壤pH值与土壤硝化-反硝化作用也具有密切关系,而土壤有机质、全氮、全磷和可溶性碳含量以及电导率等则与土壤硝化-反硝化作用不具有显著的相关关系.人类干扰活动导致土壤硝化能力的提高,反硝化能力的降低,能够增加土壤氮素以硝态氮形式淋失的风险.     

1株Arthrobacter arilaitensis菌的耐冷异养硝化和好氧反硝化作用

分别采用高浓度的铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、有机氮模拟废水和铵态氮与硝态氮、铵态氮与亚硝态氮混合模拟废水,研究耐冷反硝化细菌Arthrobacter arilaitensis Y-10的异养硝化、好氧反硝化以及同时硝化和反硝化能力,通过测定Y-10菌株在整个脱氮过程中的D600值,分析细菌生长与生物脱氮之间的联系.结果表明,耐冷菌株Arthrobacter arilaitensis Y-10具有很强的硝化和反硝化能力,15℃条件下,4 d内分别可将铵态氮由208.43 mg·L~(-1)降至72.92 mg·L~(-1),去除率65.0%;硝态氮由201.16mg·L~(-1)降至0 mg·L~(-1),去除率为100%;亚硝态氮由194.33 mg·L~(-1)降至75.43 mg·L~(-1),去除率为61.2%.该菌只在含硝态氮的模拟废水中才会产生亚硝态氮积累;此外,在混合模拟废水中,以去除铵态氮为主.总之,Arthrobacter arilaitensis Y-10能在15℃条件下有效进行异养硝化和好氧反硝化作用,在不同无机氮混合模拟废水中对铵态氮的去除率高达80.0%以上.     

低碳氮比猪场废水短程硝化反硝化-厌氧氨氧化脱氮

针对低碳氮比猪场废水传统脱氮法碳源不足的问题,采用SBBR反应器进行短程硝化反硝化-厌氧氨氧化联合脱氮.实验表明,短程硝化反硝化预处理可为厌氧氨氧化创造良好的进水条件;经预处理的猪场废水厌氧氨氧化脱氮效果显著,氨氮、亚硝态氮和总氮的平均去除率分别为91.8%、 99.3%、 84.1%,废水中残留有机物未对厌氧氨氧化效果产生明显影响,氨氮、亚硝态氮、硝态氮平均变化量之比为 1∶1.21∶0.24.色质联用分析结果显示,猪场废水中有机物成分在厌氧氨氧化反应前后未发生明显变化,主要化合物为酯类和烷烃类物质;特殊功能菌种检测结果表明,实验条件下的微生物系统是一个厌氧氨氧化菌与硝化菌、亚硝化菌和反硝化菌共存的系统,厌氧氨氧化菌是该系统主要脱氮功能菌.     

反硝化脱氮对太湖蓝藻水华态势的影响

反硝化作用是水生生态系统的主要脱氮过程,与蓝藻生长之间存在对氮素的竞争作用,然而气候变化背景下反硝化脱氮对蓝藻水华发生动态的影响仍不清楚.基于2017~2021年北太湖为期5 a的水质监测历史数据,结合不同温度下蓝藻生长和沉积物泥浆培养实验,探究了湖体反硝化脱氮与蓝藻水华之间的相互影响.监测数据表明,太湖水体藻类生物量（以Chla表示）高值主要出现在夏秋季节,而总氮浓度季节变化规律与藻类生物量完全相反,冬春季较高,夏秋季显著降低,溶解态无机氮主要以硝态氮为主,并且硝态氮浓度在夏秋季节几乎接近于零.总磷浓度与Chla浓度变化一致.蓝藻培养实验结果表明,20℃以下蓝藻不能大量生长繁殖.泥浆培养实验结果发现,太湖反硝化作用的最高温度阈值为25℃,在10~25℃之间反硝化潜力与温度呈现显著的线性关系（R²=0.99）.反硝化作用发生的最高硝态氮浓度阈值为4 mg ·L^-1,远高于太湖水体的硝态氮浓度,反硝化潜力最高达到（62.98±21.36）μmol ·（kg ·h）^-1.太湖水体反硝化速率受到硝态氮浓度的限制,而气候变暖导致湖泊温度提前升高,会使蓝藻提前生长,蓝藻生长对硝态氮的同化吸收会和反硝化作用产生竞争,使得大量氮还未被反硝化作用脱除就被藻类吸收利用,从而加剧蓝藻水华暴发的态势.研究结果对于解释近年来气候变化背景下太湖蓝藻水华反弹的机制具有重要科学意义.     

温度和氨氮浓度对水体N2O释放的影响

氧化亚氮的释放已经成为了一个全球性的环境问题,水体中N₂O的释放量会随着氮含量的增加而增加.本文通过微宇宙系统的构建,分析氮的转化过程和氮转化基因的变化,并结合结构方程模型分析了温度、氨氮含量对水体N₂O释放的贡献.研究结果发现氨氧化古菌和反硝化细菌丰度均与N₂O释放呈正相关,表明水体中的硝化和反硝化作用都会造成N₂O的释放.氨氮浓度的升高并不直接促进N₂O的释放,而温度和通过硝化作用产生的硝态氮对N₂O的释放有促进作用.此外,硝化速率通过促进亚硝态氮和反硝化菌的丰度而间接地促进N₂O的释放.     

城市污水处理厂缺氧池短程反硝化现象及影响因素研究

调研了北方某城市污水处理厂缺氧池亚硝态氮积累的现象.该污水处理厂采用传统厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）工艺,在缺氧池中存在稳定的短程反硝化过程,且缺氧池中亚硝态氮积累率最高可达88.4%.16S rRNA高通量测序分析表明Saccharibacteria_genera_incertae_sedis和Thauera可能是导致该厂缺氧池亚硝态氮积累的主要菌种,而短程反硝化现象出现的主要原因可能为外加碳源乙酸钠和系统较高的pH值.取活性污泥在COD/NO₃^--N为2~5条件下进行反硝化批次试验,结果表明硝态氮的还原速率均高于亚硝态氮的还原速率,且最大硝态氮到亚硝态氮的转换率均在50%左右.但碳源充足时,积累的NO₂^-会在NO₃^-被还原完后继续发生还原反应,从而导致最终亚硝态氮积累效果变差.本研究,以乙酸钠为碳源,COD/NO₃^--N为3可使反硝化过程获得最高亚硝态氮积累.因此,控制合适COD/NO₃^--N或缺氧反应时间是短程反硝化工艺运行的关键控制参数.本研究可为实际污水处理厂构建短程反硝化并进一步耦合厌氧氨氧化技术提供参考.     

催化铁强化低碳废水生物反硝化过程的探讨

研究了低碳氮比条件下催化铁耦合生物反硝化的脱氮效率以及N2O产生.结果表明,相对常规低碳氮比反硝化,催化铁耦合组能大大提高硝酸根的转化率,但产生亚硝态氮积累,总氮去除率变化不大.耦合组N2O释放量高于常规生物对照组,源于亚铁氧化物与亚硝酸根的化学反应,但最高累积量小于8%,且可继续生物还原为N2.催化铁可以消除体系的溶解氧和降低氧化还原电位,对维持缺氧反硝化环境有利.     

猪场废水厌氧氨氧化脱氮的短程硝化反硝化预处理研究

在常温(13～20℃)、不调节pH的条件下,采用短程硝化反硝化预处理低C/N（2左右）猪场废水,考察了反硝化与亚硝化过程,并以经过短程硝化反硝化预处理的猪场废水为进水,分析了厌氧氨氧化的脱氮效果.结果表明,采用短程硝化反硝化预处理低C/N猪场废水,可以达到去除部分COD、部分脱氮、控制出水氨氮和亚硝态氮浓度之比在1∶1左右、pH在7.5～8.0左右的目的,为厌氧氨氧化创造了进水条件,全程COD和总氮平均去除率分别为64.3%和49.1%;经过短程硝化反硝化预处理的猪场废水,其厌氧氨氧化脱氮效果稳定,氨氮、亚硝态氮、总氮的平均去除率分别为91.8%、99.3%、84.1%.     

污泥屏障氧化缓冲容量与重金属再溶出关系研究

借助微生物厌氧活动特别是硫酸盐还原反应,污泥屏障可用来固定尾矿堆场重金属.针对尾矿风化淋滤形成的酸性采矿废水(AMD)与污泥之间发生的氧化还原反应导致的重金属溶出问题,通过氧化滴定实验研究了不同污泥悬液的氧化缓冲容量及其与重金属浓度的关系.结果表明,污泥悬液的氧化缓冲容量随着悬液固液比的增大略有减小,但随着悬液厌氧培养时间的延长而增加.污泥的氧化缓冲容量主要来自Eh≤-150mV的强烈还原区间,可达氧化缓冲容量的50%以上.氧化滴定过程中发现,当Eh≥-150mV时,Zn首先明显溶出;当Eh≥150mV时,Cu和Pb明显溶出.基于实验结果,建立了污泥屏障在AMD渗流条件下氧化缓冲容量消耗的数学模型.模拟计算结果表明,当AMD水头高度为10m时,厚度2m的污泥屏障经历AMD溶液38787a的渗透氧化,仍可保持原有的强烈还原状态,具备对重金属的固定效果.     

湿地底质环境对污水水质净化的影响研究

以扎龙湿地底泥为介质,模拟表面流湿地系统,研究了不同底质及其环境要素Eh对表面流湿地净化效率及其稳定性的影响。通过对各个指标去除率均值,变异系数和方差的综合分析,表明在本实验设计的三种Eh梯度下,Eh=-200 mV有利于TN、NO3--N的去除,Eh=200 mV有利于NH4+-N、P和COD的去除;黏土对TN、NO3--N和P去除效果最好,粉砂土对NH4+-N、COD去除效果最好。此外,随着Eh的不同,底质因素的影响也发生相应的变化。即黏土的去除率受Eh变化影响小,亚砂土和粉砂土的去除效果受Eh变化影响大。实验结果客观反映了扎龙湿地不同底质地段的净化污水功能和底质氧化还原环境对污染物去除的影响,为表面流人工湿地净化功能影响因素(基质和Eh)的调控提供理论依据。     

水分控制下的湿地沉积物氧化还原电位及其对有机碳矿化的影响

为探讨水分与氧化还原电位之间的内在关系及其对沼泽湿地有机碳分解矿化的影响,采用室内培养(25℃,155 d)实验研究了不同水分条件(24%~232%WHC)下三江平原3类湿地(泥炭沼泽、腐殖质沼泽和沼泽化草甸)沉积物氧化还原电位(Eh)变化以及有机碳的矿化特征.结果表明,不同水分条件对湿地沉积物氧化还原电位的影响有较大差异,在低于100%WHC(最大持水量)水分范围时,氧化还原电位随着水分的增加而降低,>100%WHC(至积水2 cm)时,水分含量变化对泥炭沼泽和腐殖质沼泽沉积物氧化还原电位影响作用降低.泥炭沼泽、腐殖质沼泽和沼泽化草甸沉积物有机碳矿化最适宜水分含量存在较大差异,分别为32%、48%和76%~100%WHC.湿地沉积物有机碳矿化速率与氧化还原电位之间存在二次函数关系(p<0.05),在还原态下(Eh值<300 mV),有机碳矿化速率和矿化量随氧化还原电位的升高而升高,在氧化态(Eh值>300 mV)下则逐渐降低.较低的氧化还原电位是三江平原湿地有机碳得以积累的重要原因.     

Effects of long-term amendment of organic manure and nitrogen fertilizer on nitrous oxide emission in a sandy loam soil

To understand the effects of long-term amendment of organic manure and N fertilizer on N2O emission in the North China Plain, a laboratory incubation at different temperatures and soil moistures were carried out using soils treated with organic manure （OM）, half organic manure plus half fertilizer N （HOM）, fertilizer NPK （NPK）, fertilizer NP （NP）, fertilizer NK （NK）, fertilizer PK （NK） and control （CK） since 1989. Cumulative N2O emission in OM soil during the 17 d incubation period was slightly higher than in NPK soil under optimum nitrification conditions （25℃ and 60% water-filled pore space, WFPS）, but more than twice under the optimum denitrification conditions （35℃ and 90% WFPS）. N2O produced by denitrification was 2.1-2.3 times greater than that by nitrification in OM and HOM soils, but only 1.5 times greater in NPK and NP soils. These results implied that the long-term amendment of organic manure could significantly increase the N2O emission via denitrification in OM soil as compared to NPK soil. This is quite different from field measurement between OM soil and NPK soil. Substantial inhibition of the formation of anaerobic environment for denitrification in field might result in no marked difference in N2O emission between OM and NPK soils. This is due in part to more rapid oxygen diffusion in coarse textured soils than consumption by aerobic microbes until WFPS was 75% and to low easily decomposed organic C of organic manure. This finding suggested that addition of organic manure in the tested sandy loam might be a good management option since it seldom caused a burst of N2O emission but sequestered atmospheric C and maintained efficiently applied N in soil.     

接种菌根真菌对湿生植物根际土壤硝化反硝化活性的影响及其微生物机制

为探究接种菌根真菌对湿生植物根际土壤硝化-反硝化作用的影响,以湿生植物旱伞草和石菖蒲为材料,接种筛选自本地植物根系及根际土壤的菌根真菌混合菌种MF-MD为试验组,并设置未接种植物作为对照组.在水体氮素富营养化条件下种植3个月,然后测定植物根际土壤硝化反硝化活性.结果表明,接种MF-MD能促进两种植物根际土壤硝化反应,同时接种MF-MD促进了旱伞草根际土壤反硝化作用但是抑制了石菖蒲根际土壤反硝化作用.从接种后植物根际土壤微生物量,硝化细菌与反硝化细菌群落结构变化等角度分析了引起土壤硝化-反硝化反应发生变化的原因.发现接种处理的试验组湿生植物根际土壤微生物量(soil microbial biomass,SMB)高于对照组但差异不显著,且与对照组相比,试验组与土壤硝化反硝化作用相关的微生物群落结构发生变化.此试验对于研究菌根真菌结合湿生植物去除富营养化水体中的N元素具有积极意义.     

太湖竺山湾缓冲带两种人工草林土壤反硝化作用比较

在太湖竺山湾缓冲带选取两种人工草林(杨树灌木混合林和纯杨树林),对其林床地表径流、林下土壤水和林下地下水进行了为期1 a的观测,比较了土壤反硝化作用.结果表明:①两种人工草林林下土壤生化性质、w(有机碳)以及各形态氮质量分数在1 m深度内垂向剖面上的分布大致相同;②两种人工草林内地下水中的ρ(NO₃--N)在1 a之内都没有明显升高趋势,显示反硝化作用在土壤水的入渗过程中有效削减了NO₃--N,并阻止了其向地下水的迁移;③在垂直剖面上,两种人工草林土壤水中ρ(NO₃--N)在40 cm深度处出现峰值,同深度处的ρ(DO)(低至0.08 mg/L)、E_h(氧化还原电位,0~18 mV)也较低,说明40 cm深度附近可能发生了耦合的硝化-反硝化作用;④在垂直剖面上,两种人工草林土壤中反硝化势和反硝化菌数均在40 cm深度附近出现峰值,虽然杨树灌木混合林土壤反硝化势[2.1 mg/(kg·h)]是纯杨树林[1.1 mg/(kg·h)]的2倍,但两种人工草林土壤中实际的反硝化速率受ρ(NO₃--N)的限制,没有明显的差别.研究显示,两种人工草林土壤都在40 cm深度附近存在反硝化活跃带.      

低铵污水灌溉下土壤中硝化作用试验研究

为模拟含低浓度铵的污水灌溉条件下土壤中硝化作用，采用了铵盐溶液(50mg/LNH4Cl)连续淋沥土壤，进行了垂向土柱试验研究，测定了土柱不同深度氮化合物的浓度。结果表明：低铵浓度污水灌溉下土壤溶液中的硝化作用主要是在30cm内发生的，NO3—N的浓度在30cm左右达到峰值。随后由于脱氮等作用，浓度迅速下降，在100cm处减小到10mg/L左右，在40cm以下土壤中未测出NH4—N。     

Flow field and dissolved oxygen distributions in the outer channel of the Orbal oxidation ditch by monitor and CFD simulation

In the Orbal oxidation ditch,denitrification is primarily accomplished in the outer channel.However,the detailed characteristics of the flow field and dissolved oxygen(DO)distribution in the outer channel are not well understood.Therefore,in this study,the flow velocity and DO concentration in the outer channel of an Orbal oxidation ditch system in a wastewater treatment plant in Beijing(China)were monitored under actual operation conditions.The flow field and DO concentration distributions were analyzed by computed fluid dynamic modeling.In situ monitoring and modeling both showed that the flow velocity was heterogeneous in the outer channel.As a result,the DO was also heterogeneously distributed in the outer channel,with concentration gradients occurring along the flow direction as well as in the cross-section.This heterogeneous DO distribution created many anoxic and aerobic zones,which may have facilitated simultaneous nitrification-denitrification in the channel.These findings may provide supporting information for rational optimization of the performance of the Orbal oxidation ditch.     

Effects of water regime, crop residues, and application rates on control of Fusarium oxysporum f. sp. cubense

Biological soil disinfestation is an effective method to control soil-borne disease by flooding and incorporating with organic amendments, but field conditions and resources sometimes limited its practical application. A laboratory experiment was conducted to develop practice guidelines on controlling Fusarium wilt, a widespread banana disease caused by Fusarium oxysporum f. sp. cubense(FOC). FOC infested soil incorporated with rice or maize straw at rates of 1.5 tons/ha and 3.0 tons/ha was incubated under flooded or water-saturated(100% water holding capacity) conditions at 30℃ for 30 days. Results showed that FOC populations in the soils incorporated with either rice or maize straw rapidly reduced more than 90% in the first 15 days and then fluctuated till the end of incubation, while flooding alone without organic amendment reduced FOC populations slightly. The rapid and dramatic decrease of redox potential(down to- 350 m V) in straw-amended treatments implied that both anaerobic condition and strongly reductive soil condition would contribute to pathogen inactivation. Water-saturation combined with straw amendments had the comparable effects on reduction of FOC, indicating that flooding was not indispensable for inactivating FOC. There was no significant difference in the reduction of FOC observed in the straw amendments at between 1.5 and 3 tons/ha. Therefore,incorporating soil with straw(rice or maize straw) at a rate of 3.0 tons/ha under 100%water holding capacity or 1.5 tons/ha under flooding, would effectively alleviate banana Fusarium wilt caused by FOC after 15-day treating under 30℃.     

不同氮输入梯度下草甸沼泽土反硝化损失和N2O排放

在实验室培养条件下,设计N0,N1,N2,N3 4种氮输入梯度,净氮输入量分别为0,1,2 和5 mg/g,采用乙炔抑制技术,研究草甸沼泽土反硝化损失和N₂O排放. 结果表明:培养期间(23 d)N1,N2和N3梯度的N₂O排放速率平均值分别为12.55,7.59和4.04 μg/(kg·h),反硝化损失速率平均值分别为11.52,9.87和3.10 μg/(kg·h),二者均明显高于对照(N0)〔0.09和0.10 μg/(kg·h)〕;但高氮输入(N2和N3梯度)会对N₂O排放速率和反硝化损失速率产生一定的抑制作用,且随着梯度增大而加强,差异达到显著水平(P<0.05). 24 h时土壤有机碳矿化速率随氮输入梯度升高而增大,表明氮输入初期能对土壤有机碳矿化产生激发效应;但在整个培养期,有机碳矿化速率却随氮输入增加而降低,表明只有适当的氮输入才能促进土壤有机碳矿化,过量氮输入反而会对其产生抑制作用.