河口近岸氮素的削减途径及抗生素的影响机理研究

发布时间：2020-09-27 14:29

　　氮是影响河口近岸水体富营养化发生的关键生源要素之一,过量的氮素输入引发的水体富营养化会进一步造成有害藻类赤潮、低氧-厌氧、水体酸化等环境问题。由于受化石燃料燃烧和农业化肥的大量施用等人为活动的影响,河口近岸环境中氮素的人为输入已经远远超过了它的天然输入,这些高负荷氮绝大部分是以硝态氮的形式,通过河流、大气沉降或地下水排放等途径,最终汇入到了河口及近岸地带。因此,研究和认识氮素在河口近岸环境中的削减途径、机制及其归宿具有极其重要的意义。基于此,以中国典型河口及近岸区域作为研究区,本论文开发了一种快速、简单、精确、经济的用来测量样品中溶解态氨氮及其它含氮化合物中15N含量的分析方法,研究了河口近岸区域沉积物中硝态氮的削减途径、机制,探讨了环境因子和新型有机污染物(如抗生素等)对于硝态氮转化过程的影响,这不仅可以深化氮循环过程及其影响机制的理论研究,而且对于评价和预测河口近岸区域生态系统环境质量演变以及估算其环境容量均具有重要的现实意义。近年来,水生生态环境中的氮素污染问题得到了人们广泛地关注。但是,对于水体中氮素转化过程的测量较难实现。在进行氮转化过程实验时,经常需要测量小体积15N加标样品中15NH4+的含量。目前已有的测量氮同位素的方法存在耗时长、步骤复杂、成本较高等问题,因此,本论文开发了一种新型的测量氮同位素的方法("OX/MIMS"方法),即采用次溴酸盐碘溶液将15NH4+中的15N氧化为氮气(29N2和30N2),然后用膜入口质谱仪(MIMS)来测量15NH4+的浓度。"OX/MIMS"方法所需样品量较小,并且快速、方便、精准度高(R2=0.9994,p0.0001),同时适用于不同盐度和同位素含量的样品。经传统的氮同位素分析方法验证,证实"OX/MIMS"方法可以用于测量不同的氮转化过程的速率,比如氨氮再生速率、氨氮吸收速率、硝酸盐异化还原成铵(DNRA)速率等。"OX/MIMS"方法的应用大大提高了氮同位素的测量效率,有助于更加深入地研究淡水和海洋中氮转化过程的机制和归宿。反硝化和厌氧氨氧化是自然水体中最重要的活性氮削减过程。本论文以金普湾为典型研究区,采用连续流装置与氮同位素示踪相结合的方法,测量了沉积物-水界面中反硝化和厌氧氨氧化的速率,以明确在水体富营养化程度较高的河口近岸区域中硝态氮的主导削减过程及影响机制。实验结果显示,反硝化和厌氧氨氧化过程的速率分别为1.76-327.97μmol N m-2d-1。和0.33-36.32μmol N m-2d-1。同时发现反硝化和厌氧氨氧化过程与沉积物中有机质的生物有效性、硫化物含量、铁氧化物含量等环境因子密切相关。反硝化过程是最主要的活性氮削减过程,平均占硝态氮去除量的90%。在研究区域中,反硝化和厌氧氨氧化过程总共可以削减20%的外源输入无机氮。然而,大多数外源输入的活性氮滞留在水体中,这会加剧研究区域的水体富营养化程度,进而造成有害藻类赤潮爆发等环境问题。实验结果和文献资料反映,反硝化过程是最主要的硝态氮削减过程,对于水体富营养化的缓解具有非常重要的意义。同时,近年来因为抗生素的大量生产和使用,其在水体中呈现出“伪持久性”残留,并造成了对包括反硝化过程在内的自然过程的抑制作用,然而其影响机制仍是一个悬而未决的科学问题。为此,本论文采用泥浆实验的方法,研究了抗生素对反硝化速率和氧化亚氮释放速率的影响,同时对反硝化基因和抗生素抗性基因进行了定量分析,以明确抗生素对反硝化影响的机理。实验结果发现,抗生素对反硝化过程具有明显的抑制作用,并且促进了反硝化过程中间产物氧化亚氮的释放速率。抗生素对于反硝化速率的抑制可以通过反硝化基因丰度的变化反映出来,其丰度与反硝化速率呈现耦合关系。抗生素的存在促进了抗生素抗性基因数量的增长,而抗性基因的存在使得抗生素对于反硝化速率的抑制作用有其上限。抗生素的存在抑制了反硝化速率,同时促进了氧化亚氮释放速率的增长,这可能会造成全球性的环境问题,比如水体富营养化、温室效应、臭氧层空洞等。本论文对硝态氮削减过程的生态环境效应进行了分析,发现反硝化和厌氧氨氧化作用是河口近岸水生生态环境中非常重要的活性氮削减过程,其对活性氮的削减作用能够有效的缓解活性氮过量输入造成的水体富营养化现象。但是,当水体富营养化程度过高时,其对活性氮的削减能力也达到了饱和,这使得大量的外源输入的活性氮滞留在水体中,从而加剧了河口近岸区域的水体富营养化程度。同时,抗生素的存在使得反硝化过程对于硝态氮削减的能力大大降低。反硝化过程的硝态氮削减能力降低使得过量的硝态氮残留在河口近岸水生生态系统中,这会造成更加严重的水体富营养化等环境问题。抗生素对氧化亚氮释放速率的促进作用表现出较为负面的生态环境效应,其不仅会对河口近岸区域生态环境造成较为严重的破坏,还可能引发全球性的环境问题。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X52
【部分图文】：

示意图,水生生态,过程,示意图

氮转变为氮气（N2);而绝大多数水生生物不能直接利用氮气，因此反硝化作用被认为是硝态氮永久性脱离水生生态系统的有效途径（图1.2)，对减少水环境中初级生产者可利用氮的数量和缓解水体富营养化趋势具有重要的意义（Burginand Hamilton, 2007)。国外学者为测定反硝化速率提出和设计了大量的实验方法，如乙炔抑制法、N2通量法、孔隙水剖面成岩模式法、微电极法、以及i5N同位素7K踪技术等（Herbert，1999)。其中乙块抑制和i5N不踪技术是两种最为常用的测量反确化速率的方法。乙炔抑制技术是基于N20还原酶被乙炔所抑制，从而使N20不能转化为N2的方法，这是一种简单、灵敏而又经济的方法。但是，这种方法存在的最明显缺陷是抑制过程往往不完全，导致反确化速率可能被低估30%-50%。相比较而言，i5N同位素示踪技术是目前最为理想的测定反硝化速率的方法。运用同位素示踪技术

沿海区域,示意图,手套箱,盐沼

中国沿海地区示意图及采样站位Figure2.1MapofcoastalregionsofChinashowingthesamplingsites

标准曲线,总信号,氧化时间,强度

发现从起始时刻到氧化180分钟，测试得到总1、（2N2+2X30N2)的信号强度基本没有变化(one-way ANOVA, p > 0.1)(图2.2)。用分光光度法测试了剩余氨氮的浓度，以计算氧化剂对于氨氮的氧化率。经测试，所有样品中剩余氨氮的浓度均低于检测限（0.1 ^imolL-'),这说明氧化剂对于氨氮的氧化率均达到100%。由以上结果可以推断，氧化剂对于氨氮的氧化基本是瞬时的，而且氧化率为100%。虽然没有测试氧化剂对于活性有机氮（如氨基酸和蛋白质等）的氧化效率，但根据推测认为其应该与氨氮一样可以达到100%的氧化率（Warembourg，1993)。有机氮中的颗粒态有机质在氧化步骤前可以通过过滤的方式有效去除（图2.3)。在通常状况下的自然水体中，溶解态有机氮中含有的相比氨氮含量极低，基本可以忽略不计。自然水体中浮游植物和微生物释放出的含氮有机质，特别是溶解态有机氮(如氨基酸等)，会被细菌迅速的吸收利用(Zubkov et al., 2003； Veugeretal.,2004),这是溶解态有机氮中含有的i5N含量相比氨氮基本可以忽略不计的主要原因。为确定"OX/MMS”方法的标准曲线

【参考文献】