辛炔和乙炔作为选择性抑制剂在测定土壤硝化-反硝化速率时的误差研究

发布时间：2020-08-09 22:10

【摘要】：硝化-反硝化作用在土壤氮循环中具有重要作用,它不仅是土壤中氮素损失的重要途径,也是温室气体氧化亚氮(N_2O)排放的主要来源。炔烃类物质(辛炔和乙炔)作为选择性抑制剂,目前被广泛用于土壤硝化-反硝化作用的研究。其中辛炔抑制技术是目前新发展起来的用来区分氨氧化过程中氨氧化细菌和氨氧化古菌对N_2O产生量的相对贡献的方法,而乙炔抑制技术是最常用的测定土壤反硝化速率的方法。目前,辛炔与乙炔作为选择性抑制剂在测定土壤硝化-反硝化速率中的误差大小还没有很好的量化,其误差产生的机制还缺乏深入研究。为了研究辛炔抑制技术在区分细菌与古菌氨氧化速率时的系统误差,本文利用典型氨氧化细菌与氨氧化古菌的纯菌株,在不同浓度的辛炔处理下追踪氨氧化过程中含氮气体(N_2O和NO)的动态变化,量化辛炔在测定氨氧化过程中的误差。研究结果表明:与乙炔类似,辛炔也具有催化NO氧化为NO_2的能力,另外辛炔不溶于水,无法完全抑制细菌的氨氧化作用,这导致用辛炔区分细菌与古菌氨氧化过程中对N_2O产生量的贡献时会造成实验误差。辛炔抑制法的系统误差是用辛炔抑制法测定的土壤氨氧化速率的0.25-1倍。随着辛炔浓度(≤20uM)的增加,辛炔抑制法造成的系统误差值也随之增加。由辛炔催化NO氧化成NO_2所造成的误差占误差值的45%,而由辛炔不能完全抑制细菌的氨氧化活性所造成的误差占误差值的55%。根据我们的研究结果:当辛炔的浓度为10uM时,辛炔抑制法在区分细菌和古菌氨氧化过程中产生N_2O的相对量时具有较小的实验误差。为了定量评价乙炔抑制法在测定土壤反硝化速率时的系统误差,本文以氦/氮置换-直接定量氮气法为基准,量化了不同土壤参数条件下乙炔在测定反硝化速率时的误差。结果表明:随着土壤含水量的增加,乙炔抑制法的系统误差是用乙炔抑制法测定的土壤反硝化速率的5-26倍。另外,乙炔抑制法测定的数据未能反映出反硝化速率随含水量增加而增加的趋势。随着土壤硝酸盐含量和水分含量的增加,乙炔抑制法的误差值增加。乙炔抑制法的误差主要有两种来源:一种是乙炔催化NO氧化为NO_2,导致由NO进一步还原为N_2O的量减少,造成反硝化速率的低估。这一类型的误差平均占乙炔抑制法总误差值的60%(31%-79%)。另外一种是乙炔对N_2O还原酶的不完全抑制,这一种类的误差平均占乙炔抑制法总误差的40%(14%-71%)。这些结果表明:在好氧条件下,乙炔抑制法测定土壤反硝化时会产生较大误差,所以在好氧条件下建议谨慎使用乙炔抑制法测定土壤反硝化速率。特别是对于硝酸盐含量和水分含量都较高的土壤,不建议使用乙炔抑制法测定土壤反硝化速率。总之,在测定硝化-反硝化作用时,无论是辛炔还是乙炔抑制技术都需要考虑其所造成的系统误差。本文的结果有助于明确抑制剂的适用范围和条件,有助于更合理地运用炔烃类(辛炔和乙炔)抑制技术测定不同土壤条件下的反硝化和好氧氨氧化速率,同时为合理解释好氧条件下用炔烃类(辛炔和乙炔)抑制技术测定的土壤硝化-反硝化速率方面的数据提供了理论依据。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154.3
【图文】：

过程图,氮循环,过程

辛炔和乙炔作为选择性抑制剂在测定土壤硝化-反硝化速率时的误差研究1 绪论氧化亚氮（N2O）由于具有较高的增温潜势、在大气中停留时间较长以及破坏臭氧层等特点，受到了人类的广泛关注。N2O 的排放主要有海洋、森林、草地、化石燃料燃烧等几种来源[1]。大气中 N2O 的年逸出量为 10-17 Tg，并以 0.26%的年均增长速度不断上升[2]。研究表明：土壤的 N2O 排放量占大气中 N2O 增加量的 50%[3]，其中，硝化-反硝化作用是土壤 N2O 排放的主要途径[1, 3]。通常情况下，土壤可在微生物的作用下通过硝化（主要指自养硝化）和反硝化（主要指异养反硝化）作用产生大量 N2O[4-7]（如图 1-1 所示），占整个生态系统中 N2O 总排放量的 70-90%[8]。因此，定量土壤硝化-反硝化作用对 N2O 排放的贡献及其微生物与环境调控机制可为降低土壤 N2O 排放提供理论依据和潜在的技术支持。

古菌,细菌,途径,还原酶

以 AOA 对氨具有极高的亲和力[16, 27, 37-43]。氧化微生物 N2O 排放的发生机制表明 AOB 和 AOA 都能产生 N2O（如图 1-2 所示）[34]。AOB生成 N2O：① Frank 等[44]（2012）研究发现有氧条件下，羟胺（HAO）的作用下被氧化成 NO 后再形成 N2O；② Thomas 等[低氧条件下，AOB 在 NO2-还原酶的作用下通过硝化菌反硝成 NO，再经 NO 还原酶作用还原成 N2O。与 AOB 不同，目前的途径仍然存在争议，因为AOA的基因组中既缺少类似于AO缺少参与硝化菌反硝化作用的 NO 还原酶基因。L scher 等[46：AOA 在氨氧化过程中可通过未知的中间产物生成 N2O。通过同位素示踪技术也证实：土壤 AOA 富集物中产生的14,15N2O、14,14N2O 3 种形式，它们可能分别是由氨氧化作用、及两种代谢途径结合所产生。

气相色谱,气体采样,自动采样器,气相色谱法测定

Molstad 等[118]（2007）详细描述了该系统的原理和应用（如图3-1 所示）。简言之，该系统是由微型气相色谱仪（美国安捷伦科技有限公司出品的 Agilent micro-GC 7890B，以下简称 GC-7890B）、蠕动泵、自动采样器和电热恒温水浴箱组成。气体采样的操作流程如下：首先自动采样器上的空心针将样品瓶的橡胶塞刺穿，在蠕动泵的作用下通过 PC 输送管对瓶中土壤顶部空间的气体进行自动采样；接着在载气（He）的推送下将气体样品输送到气相色谱中；最后通过气相色谱中的微池电子捕获检测器（ECD）和热导检测器（TCD）分别测定出 N2O 和 N2的含量。气相色谱法测定 N2O 的条件为：柱箱温度为 50℃，检测器温度为 340℃，载气为高纯氦（纯度≥99%）。气相色谱法测定 N2的条件为：

【参考文献】