温度和氨氮浓度对水体N2O释放的影响

中国环境科学 2019,39(1)：330~335 China Environmental Science 温度和氨氮浓度对水体N2O释放的影响

路俊玲,陈慧萍,肖琳*(南京大学环境学院,污染控制与资源化国家重点实验室,江苏南京 210023)

摘要：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.

关键词：氧化亚氮；温度；硝化；反硝化；结构方程模型

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2019)01-0330-06

Coupling effect of temperature and ammonia on N2O emission in surface water. LU Jun-ling, CHEN Hui-ping, XIAO Lin*(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210023, China). China Environmental Science, 2019,39(1)：330~335

Abstract：The increase of nitrous oxide emission has become a worldwide problem. The emission of nitrous oxide from water body increased with the increase of N inputs. Our stud y analyzed the roles of temperature and ammonia in N2O emission through quantification of nitrogen transformation and related functional genes. The results showed that the abundance of ammonia oxidizing archaea and denitrifiers positively correlated to N2O emission in water. Structural equation model revealed ammonia content had no d irect effect on N2O emission, however, high temperature and nitrification d irectly accelerated the release of N2O. In ad d ition, nitrification process also increased the release of N2O indirectly through promoting abundance of denitrifiers and nitrite content.

Key words：nitrous oxide；temperature；nitrification；denitrification；structural equation mode

化肥的大量使用和污水的无序排放,造成大量的氮素进入水体,不仅加剧了水体富营养化,也成为N2O的重要释放源[1-3]. N2O作为重要的温室气体[4],其温室效应是CO2的298倍,并且能造成臭氧层的破坏,引起臭氧层空洞[5-7].已经有研究证实在氮含量高的河道[8]、湖泊等水体都有较高的N2O释放[9].

在缺氧和厌氧条件下,N2O的产生主要由反硝化过程驱动,而近年来研究发现氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)也能产生N2O[10-11]. AOB和AOA主要通过3种途径产生N2O:一是通过氨单加氧酶在氧化氨的过程中N2O作为副产物产生[12];二是AOB可以通过羟胺脱氢酶直接将氨氧化过程中产生的羟胺(NH2OH)氧化为N2O[13];此外,AOB含有nirK基因,还能够在缺氧条件下通过硝化菌的反硝化作用将NO2-还原为NO和N2O[14-15].虽然目前已有大量研究表明在土壤中硝化反应对N2O的释放发挥重要的作用[16-19],但关于水体中硝化作用对N2O释放的贡献还不清楚.

富营养化湖泊中硝化反应速率受到氨氮浓度和温度的影响,过高的游离氨浓度会抑制亚硝酸氧化细菌活性,导致N2O的积累[20].而温度对硝化和反硝化作用均有重要影响[21],并且AOA和AOB对温度的响应各有不同[22].如温度的升高可以直接促进氨氧化菌的增殖和潜在硝化能力[23],而冬季低温条件下氨氧化菌因为有较多的氧供给及较少的竞争作用比夏季的丰度更高[24].温度和氨氮如何通过影响硝化、反硝化过程,从而影响N2O的产生,目前尚不清晰.

本文通过构建微宇宙系统,研究氨氮浓度和温度对水体中氮的转化、N2O释放过程的影响;通过构建结构方程模型,区分硝化、反硝化过程对N2O释放的贡献及其对环境因子的响应.这对更全面地认识和指导富营养化水体修复措施的实施,减少温室气体N2O的排放具有重要意义.

1材料与方法

1.1试验设计

收稿日期：2018-06-19

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07204002) * 责任作者, 教授, xiaolin@

1期

路俊玲等：温度和氨氮浓度对水体N 2O 释放的影响 331

微宇宙试验,通过在实验室模拟不同的生态系统进行研究,既能够保持生态系统的复杂性,又使结果具有可重复性,在生态学研究中被广泛应用[25].本次研究于2017年6月在太湖(30°58′14.37′′N, 120°8′16.40′′E)采集水样,冰袋低温保存立即运回实验室.取3L 水样置于5L 的加塞广口玻璃缸中,构建微宇宙系统[26].微宇宙系统设2个氨氮浓度,分别为不添加和添加NH 4Cl 至氨氮终浓度为30mg/L.分别于5,15及25℃下黑暗静置培养,防止藻类的生长.在试验开始的第1,3,5,10,15,20和25d 定期采集水样,用于理化性质和定量PCR 分析.每组试验3个平行. 1.2 水样理化性质分析

总氮(TN),氨氮(NH 4+),硝态氮(NO 3-

)和亚硝态

氮(NO 2-

)、总有机碳(TOC)测定均采用文献中的方法[27].

NH 4+净转化速率(NATR)和NO 3-

净转化速率

(NNR)的计算分别采用公式(1)和公式(2)进行:

NATR=n x n c c x +− (1) NNR=n n x c c x

+− (2) 式中:C n+x 为(n+x) d 的NH 4+或NO 3-浓度(mg/L),C n 为第(n ) d 的NH 4+或NO 3-

浓度(mg/L),x 为天数(d).

1.3 N 2O 的采集和测定

每次采样时用注射器采集5mL 顶空气体,转移到3mL 的密闭玻璃瓶中用于分析N 2O 的产生量.N 2O 的浓度采用Agliet7890B 气相色谱仪测定,检测器为电子捕获器(ECD).检测条件为:柱温55℃、后检测器(ECD)温度300℃,载气为高纯氮气,流速为

30mL/min,燃气为氢气,流速为45mL/min [28]. 1.4 DNA 的提取和实时荧光定量PCR(qPCR)

DNA 的提取和qPCR 参照文献的方法进行[29]. qPCR 采用20μL 反应体系进行:10µL SYBR ® Premix Ex Taq™(Takara), 100nM 引物, 1.5µL 模板DNA.细菌和古菌的amoA 基因分别采用amoA1F/amoA2R, Arch–amoAF/Arch–amoAR 引物进行扩增,反应条件为:94℃ 2min;94℃ 20s,57℃ 30s (AOB) 或55℃ 30s (AOA),40个循环.反硝化基因nirS 的扩增采用引物cd3af/r3cd,反应条件为:94℃ 2min;94℃ 30s, 57℃ 45s,72℃ 45s,40个循环.

1.5 统计分析和结构方程模型分析

水体理化指标和qPCR 数据进行One–Way ANOV A 分析,平均数的比较采用Fisher’s L SD 检测.生物和环境因子间的关系进行Pearson 相关性分析,并

通过结构方程模型分析环境因子对氮转化过程、相关

功能微生物和N 2O 释放的直接和间接影响[30].以上统计分析均在IBM SPSS 22.0(SPSS Inc.,美国)中进行. 2 结果与分析 2.1 不同氨氮浓度和温度条件下氮转化及N 2O 的释放

在无外源氮添加的情况下,体系中的氨氮主要来源于有机氮降解,在3个温度下氨氮浓度都很低.不同温度下对照组氨氮的净转化速率在0.06~ 0.11mg NH 4+-N/(L ⋅d)范围内波动,组间没有显著性差异(图1,2),表明在低氨氮情况下,温度对氨氮的转化没有显著性影响

.

图1 NH 4+

-N(a), TN(b), NO 3-

-N(c)在不同氨氮浓度和温度条件下的变化

Fig.1 The profiles of NH 4+-N(a), TN(b), NO 3--N(c) under different ammonia concentration and temperature