硝酸盐与人体健康

硝酸盐和亚硝酸盐是生物圈中氮循环的重要组成部分。空气中的氮在闪电时生成亚硝酸盐、硝酸盐,并随雨水转移到水、土壤里,为植物所利用。合成为植物蛋白质。动物通过摄食将之转化为动物蛋白质。动、植物蛋白质被水,土壤中的微生物分解为氨,再经硝化菌的作用生成亚硝酸盐、硝酸盐见下图。     

大气CO2浓度升高对几种土壤微生物学特征的影响

利用中国扬州开放式空气CO2浓度升高(FACE)平台,研究大气CO2浓度升高对土壤微生物活性及群落功能多样性的影响.结果表明,在常氮施肥处理中,大气CO2浓度升高有增加微生物量碳的趋势,而在低氮施肥处理中大气CO2浓度升高的影响不大.在常氮、低氮施肥处理中,大气CO2浓度升高对微生物量氮均没有显著影响,有增加微生物C/N的趋势.在常氮施肥处理中,大气CO2浓度升高显著增加脱氢酶活性,而在低氮施肥处理中的影响不显著.在低氮施肥中大气CO2浓度升高显著增加酸性磷酸酶活性,在常氮施肥处理中的影响不显著.除在常氮施肥、大气CO2浓度升高时,Shannon指数、Simpson指数和微生物利用的碳源有显著变化外,其他处理中土壤微生物群落功能多样性的变化很小.     

XP1菌株强化湿地植物脱氮及其对根际微生物的影响

利用从南四湖人工湿地中分离的一株具有良好脱氮作用的反硝化细菌XP1,分别接种于湿地植物芦竹、芦苇和香蒲的根际土壤,考察菌株XP1对3种植物的强化脱氮作用,并利用PCR-DGGE(变性梯度凝胶电泳)考察强化脱氮过程中菌株XP1在3种植物根际土壤微生物中的变化. 结果表明:模拟湿地在未强化脱氮时,3种植物湿地在相同条件下脱氮能力大小顺序为芦竹＞芦苇＞香蒲;3种植物的根际土壤所含微生物种类基本相同,所含微生物总量顺序为芦竹＞芦苇＞香蒲,其中土著XP1菌株在芦竹、芦苇和香蒲根际土壤微生物中的含量比值约为1.5∶1.3∶1. 加入菌株XP1强化脱氮后,香蒲、芦苇、芦竹3种植物湿地总氮去除率分别由14%,56%和56%提高至98%以上,强化脱氮作用明显;含氮废水ρ(TN)降至《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质要求〔ρ(TN)≤1 mg/L〕时,3种植物根际土壤中的微生物种群数及微生物总量都有所下降,其中菌株XP1在3种植物根际土壤中的含量分别下降了40%,53%和67%,但根际细菌菌群结构未发生较大变化.      

沿海热力内边界层中污染物化学转化与扩散模式的研究

以SO_2在大气中的传播,扩散和化学转化为例,提出了沿海热力内边界层中污染物的扩散与化学转化模式。研究表明,由于化学转化作用,一部分SO_2继生污染物,将以SO_4~(2-)形式存在于大气中。SO_2及其继生污染物在大气中的组成分配率,主要取决于SO_2氧化为SO_4~(2-)的氧化速率。     

土壤微生物还原N2O机制及其研究进展

氧化亚氮(N_2O)的产生和消耗对气候变化有着重要影响。土壤是大气N_2O的重要来源,占全球N_2O总产量的60%左右,土壤表面的N_2O排放是N_2O产生和还原过程的结果。近年来发现土壤不仅能够产生和排放N_2O气体,还具有吸收和消耗N_2O的能力。土壤中N_2O通过被动扩散和气体对流在土壤结构中移动,然后经过物理、化学、生物等多种途径被消耗,相比较于其他消耗途径,由微生物介导的生物途径才能真正将N_2O还原转化为无害的N_2,这一过程只有反硝化菌中的nosZ基因编码的氧化亚氮还原酶(N_2OR)才能催化进行。近年来部分研究者揭示了一类新型nosZ基因(非典型nosZⅡ基因),其丰度和类型也影响着N_2O还原潜力。土壤微生物需要在适宜的环境条件下活动,土壤环境的改变也会影响土壤N_2O还原和消耗的能力。文章以土壤微生物消耗N_2O过程为核心,论述了土壤水分含量、土壤碳/氮含量、土壤深度、土壤类型、土壤pH值等关键因子对土壤中N_2O还原微生物活性的影响机理,以及对N_2O消耗能力和排放过程的调节机制。从而深入认识N_2O微生物消耗能力及其调控机制,并为控制土壤温室气体N_2O的排放、氮转化过程和提高氮素利用效率提供参考依据。     

喀斯特高原黄壤区退化植物群落常见植物叶片氮同位素组成

氮是植物需求量最大的矿质营养元素。由于氮循环诸过程中的化学转化、物理运输等都有可能使其发生同位素分馏,植物稳定氮同位素组成是土壤-植物-大气连续体综合作用的整体响应,能较好的反映流域内与植物生理生态过程相联系的一系列环境信息,具有示踪、整合和指示等多项功能。为探讨喀斯特环境下黄壤区植物稳定氮同位素组成变异的影响因素及其相关关系,以喀斯特高原贵州省清镇市王家寨峰丛洼地小流域为例,选取流域内黄壤区退化植物群落3种植被类型中的4种常见植物为研究对象,分别对其叶片C、N、P、K、Ca、Mg元素含量和稳定氮同位素进行了测定分析。结果表明:(1)研究区植物叶片δ~(15)N值的变化范围为-3. 25‰～0. 69‰,平均值为-1. 04‰,变异程度较高,离散程度较大,呈负偏态分布。(2)植物叶片δ~(15)N值在群落间和坡位间的差异均不显著(P0. 05);(3)植物叶片δ~(15)N值的种间变化趋势为小果蔷薇(-0. 03‰)火棘(-0. 24‰)过路黄(-1. 58‰)粉枝莓(-2. 29‰),差异显著(P0. 05)。(4)研究区植物叶片δ~(15)N值受群落类型和物种因素的交互影响显著(P=0. 016,R2=0. 870)。(5)研究区植物叶片δ~(15)N值受叶片K营养含量的影响较大,同时与C、N、P、K、Ca元素化学计量比之间的关系密切,叶片K、Ca营养含量间的调控是影响黄壤区植物叶片δ~(15)N值的主要因素。     

盐生植被演替对土壤微生物碳源代谢活性的影响

采用Biolog-Eco微平板法,研究了黄河三角洲地区不同盐生植被下土壤微生物的碳源代谢特征,并探讨了土壤微生物碳源代谢水平与盐生植被演替的关系.结果表明,黄河三角洲土壤质量随盐生植被正向演替呈现逐渐改善的趋势,盐生植被从"裸地-强耐盐植物-轻耐盐性植物"演替过程中,土壤微生物碳源代谢活性极显著增强(P0.01).土壤微生物群落的Shannon-Wiener指数、丰富度、Simpson指数和Pielou均匀度指数按演替顺序逐渐增加,且与全氮、碱解氮呈现显著(P0.05)正相关,与土壤盐度呈现极显著负相关(P0.01).随着"光板地-强耐盐植物-轻度耐盐植物"的演替,微生物利用的碳源种类不断增加,所利用的各类碳源数量上也越来越接近.全氮(Total nitrogen)和碱解氮(Available nitrogen)显著促进了微生物的碳源代谢活性,土壤盐度则显著抑制了土壤微生物的碳源代谢活性.     

不同类型生态浮床对富营养河水脱氮效果及微生物菌群的影响

通过设施大棚内容积为1.5 m3的人工模拟池试验,研究了框式与传统旱伞草浮床对富营养河水氮素转化及微生物菌群的影响. 传统浮床是以聚乙烯泡沫板为载体,栽植陆生植物来削减水体氮磷和有机物质等,从而达到净化水质的效果. 框式浮床是以塑料镂空支架为载体,除种植陆生植物外还添加填料等组件的新型浮床. 结果表明:①2种浮床对水体中TN,NH₄+-N和NO₃--N均有显著的去除效果,其中框式浮床和传统浮床的NH₄+-N去除率分别高达91%和86%,TN去除率也分别达到74%和64%,NO₃--N去除率分别为49%和31%. ②2种浮床系统有效地提高了水体中微生物和氮循环细菌总数和种群数量,尤其是框式浮床不同时期均比空白对照高出2～3个数量级. ③氮循环细菌的数量跟水体氮素去除有显著相关性. 其中水体ρ(NH₄+-N)和氨化菌数量呈显著正相关,ρ(NH₄+-N)和硝化菌数量呈极显著负相关,ρ(NO₃--N),ρ(TN)和反硝化菌数量之间呈极显著负相关. ④框式浮床的独特结构使之比传统浮床的去氮能力更强. 其中,填料系统吸附贡献率为8%,植物吸收的去氮贡献为16.5%,微生物系统脱氮则为75.5%;而传统浮床植物系统吸收贡献率为31.8%,微生物系统脱氮贡献率为68.2%. 说明浮床系统中植物吸收只是系统去氮的一种途径,微生物脱氮在2种浮床脱氮途径中占主导作用.      

陆地与大气间的CO_2循环

准确预测将来大气中二氧化碳(CO2)浓度水平的关键是理解陆地和大气之间的CO2交换.每年陆地植物会去除(固定)大气中第8个CO2分子中的1个,同时,陆地植物的呼砐作用的土壤有机物的作用会将差不多数量的CO2返还到大气中.这样一种交换情况将决定陆地生态系统究竟是一个净的碳汇还是一个净的碳源.本期刊物中的2篇论文     

环境中的氮氧化物

大气中的氮氧化物(NO_x)主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO_2),当它们在大气中的含量和存在时间达到对人、动物、植物,以及其他物质产生有害影响的程度,就将形成污染。大气中还有其他形态的氮氧化物,如氧化亚氮(N_2O)和三氧化二氮(N_2O_3)等,由于它们含量少,对其生物学作用研究不够,所以本文主要涉及一氧化氮和二氧化氮。     

土壤硝化和反硝化微生物群落及活性对大气CO2浓度和温度升高的响应

硝化和反硝化微生物参与土壤氮循环转化过程,大气CO_2浓度和温度升高可能会影响它们的群落结构和活性.本试验依托稻-麦轮作农田系统气候变化平台研究大气CO_2浓度单独升高(CE)、升温(WA)以及两者同时升高(CW)对麦田土壤硝化和反硝化微生物基因丰度、群落结构和活性的影响.结果表明,在小麦分蘖期,大气CO_2浓度和温度升高对氨氧化细菌(AOB)和反硝化细菌丰度没有影响,而在抽穗和成熟期,CO_2浓度单独升高显著提高了氨氧化古菌(AOA)和反硝化细菌丰度,升温处理对其没有显著影响.通过对T-RFLP数据分析发现,大气CO_2浓度和温度升高对土壤AOA、AOB和反硝化细菌群落结构没有显著影响,但是在一定程度上改变了AOA和反硝化细菌多样性.另外,CO_2浓度单独升高处理显著提高了成熟期的土壤硝化速率,不同气候变化处理对反硝化速率没有显著影响.研究表明大气CO_2浓度和温度升高对不同生育期的微生物群落影响存在差异,而且功能微生物对不同气候变化因子处理的响应也各不相同.     

景观型人工湿地污水处理系统构建及植物脱氮效应研究

将15种景观植物,其中包括4种陆生木本植物引入人工湿地,用于构建景观型人工湿地污水处理系统.该实验系统由12个独立处理单元组成,其中包括由4个平行处理单元构成的一级处理系统及由8个处理单元构成的二级跌流系统.对植物在各处理单元中的氮积累特征及植物氮吸收对系统脱氮贡献率进行研究,结果表明,在进水TN浓度为37.5~55.6 mg/L时,植物吸收脱氮贡献率仅为1%~3%,其不能准确反映植物在系统中的重要作用.因此,本研究采用植物脱氮效应(有植物与无植物系统脱氮的差异)来衡量植物在处理系统中的综合作用,其包括植物吸收贡献及植物与根际微生物、填料基质的协同效应之和,分析表明,植物协同效应占系统脱氮效应的80%以上.     

电活性生物膜介导Cu2+生物还原的试验研究

电活性生物膜形成、胞外电子传递机制以及环境效应研究已成为环境领域关注的热点.通过在碳毡上富集形成生物膜,采用电化学方法对生物膜的电活性进行了表征,对电活性生物膜直接介导Cu2+的还原转化进行了初探.利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)对Cu元素的形貌、含量以及价态进行分析,结果表明电活性生物膜能够利用乙酸作为电子供体,Cu2+作为电子受体,将Cu2+还原转化成Cu或Cu+.同时,通过激光共聚焦显微镜(LSCM)观察Cu2+对微生物的影响,结果显示Cu2+对微生物有明显的毒害作用,所以电活性生物膜介导Cu2+的转化只能在较低的铜离子浓度下进行.本研究结果将为电活性生物膜应用于环境中铜离子的固定和回收提供理论依据.     

氮添加对亚热带森林土壤有机碳氮组分的影响

为了研究氮添加对森林土壤有机碳氮组分稳定性的影响,选取我国亚热带典型常绿阔叶林(浙江桂天然林和罗浮栲天然林)和针叶林(杉木人工林),开展为期5年的野外模拟氮沉降试验,分别设置对照〔0 kg/(hm2·a),以NH₄NO₃中的N计,下同〕、低氮〔75 kg/(hm2·a)〕和高氮〔150 kg/(hm2·a)〕3个氮添加水平,用H₂SO₄分2步酸水解获得LPⅠ(活性有机库Ⅰ)、LPⅡ(活性有机库Ⅱ)和RP(惰性有机库),定量研究土壤活性和惰性有机碳氮组分以及微生物生物量碳氮对氮添加的响应. 结果表明:氮添加仅对w(LPⅡ-C)(LPⅡ-C为活性有机碳Ⅱ)有显著影响,而对其他活性和惰性有机碳氮组分的影响不显著,并且对不同林分的影响存在差异. 与对照处理相比,低氮处理下浙江桂天然林、罗浮栲天然林和杉木人工林土壤w(LPⅡ-C)的增幅分别为15.3%、29.8%、68.8%;高氮处理下杉木人工林土壤w(LPⅠ-C)(LPⅠ-C为活性有机碳Ⅰ)、w(LPⅠ-N)(LPⅠ-N为活性有机氮Ⅰ)和w(RP-C)(RP-C为惰性有机碳)的增幅分别为32.4%、78.6%、28.7%;氮添加使得土壤w(SMB-C)(土壤微生物生物量碳)的增幅为18.1%~202.5%、w(SMB-N)(土壤微生物生物量氮)的增幅为0%~103.6%;在氮添加处理下,除杉木人工林土壤SMB-N/LPⅠ-N〔w(SMB-N)/w(LPⅠ-N)〕是随着氮添加水平的增加而降低外,微生物对其他林分土壤活性有机氮的利用均表现为随着氮添加水平的增加而增加. 研究显示,氮添加对阔叶林和针叶林土壤活性和惰性有机碳氮组分的影响存在差异,但差异不显著,这与它们归还土壤的凋落物性质差异有关,并且凋落物的分解差异也可能是影响土壤不同碳氮组分变化的原因.      

CO_2倍增对稻田土壤碳氮水解酶活性的影响

为了探究CO_2倍增对土壤微生物生物量和酶活性的影响,选择亚热带区多年种植水稻的典型红壤为研究对象,对不同水稻生育期下土壤微生物生物量碳氮及其土壤碳氮转化关键酶活性:β-葡糖苷酶(β-Glu)、木聚糖酶(Xyl)和几丁质酶(N-Ac)进行了研究.结果表明:相比于常规CO_2浓度(400×10~(-6)),CO_2倍增(800×10~(-6))促进了水稻生物量及土壤微生物生物量碳氮含量,且土壤微生物生物量碳氮受水稻生育期显著影响(P0.05),在水稻孕穗期时土壤微生物生物量碳氮均达到最大值.总体上,CO_2倍增促进了土壤中β-Glu酶、Xyl酶、N-Ac酶的活性,且三种酶的活性随水稻生育期变化的趋势一致,先递增(在孕穗期的酶活性最大),随后在成熟期下降.在相同生育期和CO_2浓度下酶活性大小为:β-GluN-AcXyl.多变量方差分析表明,CO_2浓度和生育期显著影响了水稻植株生物量、土壤微生物生物量碳氮和酶活性,且土壤微生物生物量碳(SMBC)和酶活性对CO_2浓度和生育期的交互作用产生了显著的响应;而且相关性分析表明,SMBC与土壤β-Glu酶、N-Ac酶、Xyl酶活性之间均有显著的正相关.总体而言,CO_2升高可促进水稻生长,增加土壤微生物量和土壤酶活性,这种影响随水稻生育期而变化,并在水稻生育旺期(孕穗期)达到最大;而且土壤微生物生物量特别是SMBC与土壤酶活性之间具有密切关系.     

宁南山区林地土壤原位矿化过程中碳氮转化耦合特征

为了解宁南山区典型植被恢复模式之一——人工林地土壤碳氮转化的特征以及二者的关系,运用PVC顶盖埋管法进行1 a的原位矿化培养实验,每隔2个月采样,研究柠条、山桃、山杏林地中土壤有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳与土壤有机氮、无机氮以及净氨化速率、净硝化速率、净矿化速率和微生物固定速率在一年中的变化特征以及碳氮耦合关系.结果表明在原位培养过程中,61~120 d碳氮的变化最明显,主要受到土壤水分的影响;土壤有机碳和全氮极显著正相关,土壤微生物量碳氮、可溶性有机碳氮显著正相关;土壤有机碳转化速率显著影响净氨化速率、净硝化速率和MBN转化速率,且符合一元线性回归方程;柠条地培养一年后土壤微生物商(MBC/SOC)、MBN/SON显著升高,而且净硝化速率、净矿化速率显著大于山桃和山杏.     

不同湿地模型中根系微生物的多样性

为了研究不同植物和滤料组合的小型湿地模型在处理养殖池塘水体过程中根系微生物群落的特征,并分析植物对根系微生物富集的影响,本研究对两种植物(茭白和慈菇)和两种滤料(石榴石和磁铁矿)进行组合构建了6种不同的湿地模型,并利用高通量测序技术分析湿地植物根系微生物的结构特点和多样性.结果表明:不同湿地模型根系微生物的种类和数量各不相同;所有收集的微生物总体上属于52个门,118个纲,455科,905个属和1 426个种;根据Shannon指数,茭白(平均为5.77)比慈菇(平均为5.29)在微生物富集方面具有更强的能力;但是,慈菇和茭白根系微生物中变形菌门的比例分别平均为61.97%和51.78%,说明慈菇能够更好地富集变形菌.β-变形菌纲为实验期间不同植物根际富集的主要细菌类群.本研究结果为人工湿地植物优化选择提供了理论基础和湿地组合最佳构建提供了基础资料.     

宁南山区退耕还林还草对土壤氮素组成及其转化酶活的影响

以宁夏南部山区柠条、山桃、苜蓿和长芒草这4种植被为研究对象,玉米(农地)为对照,测定土壤中7种氮素的含量及2种氮素转化相关酶的活性,通过冗余分析方法探究退耕还林还草对土壤氮素及其转化酶活的影响.结果表明:①与玉米地相比,长芒草地的颗粒有机氮,轻组分有机氮,微生物生物量氮和铵态氮分别增加35. 3%、83. 3%、64. 2%和110. 0%;苜蓿地的可溶性有机氮和铵态氮分别增加0. 7%和67. 5%;长芒草地的天冬酰胺酶和蛋白酶活性活性分别提高360%和144. 8%,说明退耕还草对氮素及其转化酶有一定促进作用;②山桃地的有机氮、轻组分有机氮、颗粒有机氮和可溶性有机氮分别比玉米地高3. 7%、133. 3%、70. 6%和28. 1%,柠条地的轻组分有机氮和山桃地的微生物生物量氮分别比玉米地高16. 7%和49. 6%,柠条地和山桃地的蛋白酶活性均高于玉米地,说明退耕还林对氮素及其转化酶同样有促进作用.③冗余分析(RDA)结果和环境因子解释率表明,土壤含水率,p H值和有机碳是影响宁南山区氮素分布与转化的关键因子.退耕还林还草改变了氮素相关转化酶的活性、对氮素组成有一定的促进作用,为黄土高原生态恢复和土壤质量管理提供了理论依据.     

黄土高原两种针叶树种不同器官水碳氮磷分配格局及其生态化学计量特征

植物不同器官水、碳、氮、磷等元素含量及其生态化学计量特征能够反映植物的生态策略及其环境适应性。本研究以黄土高原两种乡土树种油松(Pinus tabulaeformis)和柴松(Pinus tabulaefirmis f.shekanensis)为研究对象,分析了研究区两种树种水、碳、氮和磷在不同器官的含量及其生态化学计量特征,探讨了两种树种基于水、碳、氮和磷分配格局的生态适应策略。结果表明:(1)油松和柴松对水分和碳素的分配格局总体表现为根和叶最大,其次为枝和干,树皮最小;对氮、磷的分配格局则表现为叶片显著高于其他器官。(2)油松将更多的水和氮分配给叶、根等生产性器官,而柴松将更多的水和碳分配给枝、干等防御性器官,反映了柴松较油松具有更加保守的生长策略,能够更好适应逆境条件。(3)植物器官不同元素间通过相互耦合后可以表现出较好的相关性,反映了植物元素之间具有高度复杂的协同关系,这种协同关系的体现形式可能与植物类型及其对外界环境变化的生长适应策略密切相关。     

处理氨气生物滴滤塔中氮转化途径及生物相分析

为了探究除氨生物滴滤塔中氮转化途径及其生物相特征,以氨气(NH_3)作为研究对象,在填料塔空塔停留时间为5.7 s,循环液喷淋强度为637 L/(h?m~2)条件下,进行了平均进气浓度分别为5.21、11.06和17.32 mg/m~3(以N为计)的3组试验,NH_3平均去除率分别为93.86%、95.12%、96.13%,且出气浓度均低于1 mg/m~3(以N为计)。在3组试验过程中,对进气、出气以及循环液中各种化学形态N元素分别进行了检测,通过N质量平衡分析了生物滴滤塔中氮转化途径,结果表明进气中的NH_3-N经液相吸收后,很大一部分被微生物利用后直接氧化成NO_3~--N、NO_2~--N,少部分N元素被反硝化脱除,还有一部分N元素被转化为N_(org)。应用Illumina平台高通量测序技术对生物滴滤塔内生物膜中的生物种属进行了分析,结果显示优势菌属为芽孢杆菌属Bacillus、产黄杆菌属Rhodanobacter、慢生根瘤菌属Bradyrhizobium、肠球菌属Enterococcus、类芽孢杆菌属Paenibacillus等,生物滴滤塔内微生物群落主要利用硝化菌群将NH_4~+-N氧化成硝氮和亚硝氮,并利用反硝化菌群将硝氮和亚硝氮反硝化成N_2。