以氮氧同位素实现对氮循环的研究

以氮氧同位素实现对氮循环的研究

刘雨情

中国地质大学环境学院环境科学与工程

摘要：：综述了生物固氮、微生物吸收同化、有机氮素矿化、硝化和反硝化的反应机理及反应过程中的同位素分馏，提出了微生物驱动氮循环的简要模型。微生物驱动的氮循环中不同过程有不同的同位素分馏特征，生物固氮、土壤有机氮矿化过程中分馏效应小，而吸收同化、硝化和反硝化过程中同位素分馏较大，利用各个过程不同的同位素分馏特征可示踪含氮物质的来源、转化和迁移等。通过对氮氧同位素的示踪研究相关文献的阅读，加强了本人对氮循环的了解，利于本人在研究生期间对地表径流中氮元素的研究。

关键词：氮循环，氮氧同位素，微生物，反硝化

简介

在微生物参与氮循环各个过程中氮同位素有不同的变化特征，同位素不同的分馏程度可用来表征氮素的来源、转化、迁移等。微生物是氮循环的驱动泵，生物固氮输入氮，而反硝化输出氮。一方面使氮循环不被中断，另一方面维持生态系统氮平衡。在微生物驱动的氮循环过程中，各氮化物来源并不单一，形态改变以及迁移方式也多种多样，同时也相互联系，如硝化与反硝化能同时产生NO2，不同来源的NO2-可继续硝化，或反硝化以及还原反应，同化与反硝化也会竞争共同的底物NO3-。氮循环过程如图1所示[1]。由微生物介导的氮素循环诸过程，包括生物固氮，硝化和反硝化作用等均可能使氮素发生同位素分馏[2-4]。

图1氮循环简图

稳定同位素与其他技术相比，其优点在于可以无干扰地对生态和环境科学问题进行定量化研究。稳定氮同位素技术是研究陆地生态系统中氮循环最科学有效的方法之一[5-8]。

氮的稳定同位素主要有两种:14N和15N，一般以大气的氮同位素分馏为标准，即15N大气=0［9，10］。在生物固氮的过程中，15N/14N的分馏很少，多数人认为分馏系数一般为0，即15N固氮=15N大气［11］。

1固氮、矿化（氨化）、氮的吸收同化

1.1生物固氮

在微生物的作用下，将大气环境中氮气转化为氨的过程。

自然状态下，氮气中的氮分子都是以两个三键相连的氮原子组成，键能为940.5kJ/moI，化学行为极为稳定，动植物都不能直接利用。然而很多原核生物（Procaryote）能把分子氮还原为氨，生物固氮反应是原核生物专有的。固氮的总反应式［12］可表述为：

N2+16mgATP+8e-+8H+———2NH3+16mgADP+16Pi+H2(1)

该反应是在生物固氮酶催化下完成的，固氮酶主要由固氮铁氧还蛋白和固氮铁钼蛋白组成，能在常温常压下催化固氮反应。全球生物固氮的量是巨大的，至少达2×1013g/a，比自然固氮多得多。

1.2矿化

微生物分解有机氮化物矿化为氨的过程。，有机质矿化的过程与反硝化作用密切相关，能为微生物反硝化提供能量。

通过土壤中有机质与氨的15N比较，土壤中有机质的矿化引起的同位素分馏较小，分馏系数在±1%间波动。有文献报道有机氮矿化过程中同位素分馏系数在（-35%，0%）范围内，但其中包括了硝化作用过程［9,11］。在NH4+—NO2-—NO3-过程中，总的分馏效应大。但这分馏效应取决于第一阶段的亚硝化反应，因为亚硝化反应较慢，其分馏效应较大。第二阶段硝化反应属于快反应，引起的同位素分馏较小。

1.3氮的吸收同化

微生物对无机氮化物的吸收过程中，一般来讲优先吸收同化NH4+，而不是NO3-，这是由于NO3-转化为NH4+还要经历一系列生化反应耗能的缘故。

微小生物吸收同化无机氮小分子过程中，其同位素分馏效应大。一般它们优先吸收同化14N化合物。无机氮基质不同，其分馏程度差别较大，在不同浓度NH4+中，分馏系数"在（-28.8%、-5.8%）范围内，在低浓度NO3-中，分馏系数"在（-9.7%，-4.3%）范围内。当培养液中氮化物浓度过低，由于氮素的充分利用，同位素分馏较小。

2亚消化、硝化

2.1硝化过程中氮同位素的测定

水中硝酸盐氮同位素组成的典型分析步骤主要包括：先将硝酸盐转化为氨，再应用扩散或蒸馏方法提取氨，将氨反应转化成N2，将氮气送入气体质谱计测试氮同位素组成。常用的方法将水中硝酸盐富集转化成硝酸盐沉淀，将固体硝酸盐分离纯化后高温煅烧转化为N2与CO2混合气体，再分离纯化分成N2气和CO2气体，分别送入气体质谱计中测定氮、氧同位素，这样就同时得到硝酸盐的氮、氧同位素组成[13,14]。

2.2转化过程及同位素研究

硝化作用可分为两个阶段的反应，第一阶段的反应为［15］：

NH3+1/2O2+2e-—NH2OH+H+(2) NH2OH+H2O—NO2-+5H++4e-(3)

O2—H2O

第二阶段的反应是：

NO2-+H2O+1/2O2=NO3-+H2O(4)

第一阶段的反应由亚硝化菌完成的，第二阶段反应由硝化菌完成的。

在硝化作用过程中，NO3-中的N和O分别来自NH4+和土壤中的O2

（δ18O=23.5‰）以及土壤水中的O[16，17]。

在施用氨肥的土壤中，硝化作用使土壤中的残余氨富集15N，其分馏系数在-29%—-12%之间［18］。同时硝化作用引起的氮同位素分馏也受反应条件限制，如过低溶解氧的浓度，过量的有机碳化合物，都会使氮同位素分馏效应增大。在氮限的生态系统里，由于反应的彻底性，硝化作用引起的氮同位素分馏效应就小些。

3反硝化

3.1反硝化过程中氮同位素的测定

细菌反硝化方法测定的是天然含量下地下水中硝酸盐氮、氧同位素组成，应用反硝化细菌将水中硝酸盐转化为N2O气体，直接将N2O气体送入气体质谱计测定氮同位素组成。

而从相关人员的研究中得到，细菌反硝化方法的基本原理是：将天然浓度硝酸盐的水样中加入缺乏N2O活性酶的反硝化细菌，在反硝化细菌作用下，将水中硝酸盐全部转化成N2O气体，分离纯化出N2O气体直接送入气体质谱计中测试氮同位素组成[13,14]。

3.2转化过程及同位素研究

在反硝化作用过程中，NO3-或NO2-作为兼性厌氧菌的电子受体，在厌氧条件下被还原为N2O或者N2，反应途径为［19］：

NO3-—NO2-—NO—N2O—N2