專利名稱：一種精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生態(tài)工程修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城鄉(xiāng)建設(shè)的加快，沿河湖地區(qū)氮、磷、有機(jī)物等污染物的排放逐年增加，湖泊及入湖河道水環(huán)境的污染問題日趨嚴(yán)重，湖泊富營養(yǎng)化加劇。2010 年中國環(huán)境狀況公報(bào)顯示，26個(gè)國控重點(diǎn)湖泊(水庫)中，營養(yǎng)狀態(tài)為重度富營養(yǎng)的1個(gè)， 占3. 8%，中度富營養(yǎng)的2個(gè)，占7. 7%，輕度富營養(yǎng)的11個(gè)，占42. 3%，其他均為中營養(yǎng)，占 46.2%。主要污染指標(biāo)是總氮和總磷。說明全國湖泊水體富營養(yǎng)化整體較為嚴(yán)重，形勢(shì)嚴(yán)峻，湖泊富營養(yǎng)化的治理刻不容緩。目前，湖泊科學(xué)家認(rèn)為氮素是富營養(yǎng)化的關(guān)鍵影響因子之一，對(duì)氮素在湖泊中的生物地球化學(xué)循環(huán)過程進(jìn)行全面完整的了解，有助于為湖泊系統(tǒng)生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)， 從而有效控制治理湖泊富營養(yǎng)化。研究表明，氮素經(jīng)固氮作用輸入湖泊生態(tài)系統(tǒng)后，在沉積物-水界面進(jìn)行交換，并通過湖泊中的動(dòng)物、植物、微生物等生物的同化吸收或選擇性捕食，在食物鏈營養(yǎng)級(jí)中自下而上進(jìn)行傳遞；最后氮素主要經(jīng)以下三種途徑輸出湖泊系統(tǒng) 水生植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物等將氮素吸收同化，經(jīng)收割、捕撈后輸出湖泊系統(tǒng)；氮素經(jīng)反硝化以n2、N2o等氣體形式離開湖泊系統(tǒng)；氮素經(jīng)過沉積作用沉入底泥中固定下來。隨著人類活動(dòng)的影響，氮循環(huán)越來越不平衡，由此引發(fā)的水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題迫使學(xué)者們對(duì)氮素在生態(tài)系統(tǒng)中輸入、遷移、轉(zhuǎn)化、循環(huán)和輸出的規(guī)律進(jìn)行大量的研究。 例如，徐徽，張路等(湖泊科學(xué)，2009，太湖梅梁灣水土界面反硝化和厭氧氨氧化)利用15N 同位素配對(duì)技術(shù)研究了湖泊底泥中硝化_反硝化脫氮過程；楊竹攸，李正魁等(湖泊科學(xué)， 2009，固定化氮循環(huán)細(xì)菌修復(fù)城市湖泊水體脫氮效果及N2O排放)利用靜態(tài)箱法研究了湖泊水-氣界面氮遷移特征；張曉姣，李正魁等(湖泊科學(xué)，2009，固定化土著氮循環(huán)細(xì)菌在城市湖泊水體凈化中的應(yīng)用)利用MPN法研究了氮循環(huán)細(xì)菌；申請(qǐng)?zhí)朇N201010533685. 8， 一種大型底棲生物和沉水植物聯(lián)合調(diào)控富營養(yǎng)化方法；申請(qǐng)?zhí)朇N200910053309. 6，在富營養(yǎng)化水域底泥層上構(gòu)筑底棲微生物層的方法；申請(qǐng)?zhí)朇N200680056888. 4，利用各種植物、微生物的水質(zhì)凈化機(jī)能，綜合改善富營養(yǎng)化污染水域的水質(zhì)凈化系統(tǒng)；申請(qǐng)?zhí)?CN201010168350.0公開了富營養(yǎng)化海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的綜合生物修復(fù)方法。上述學(xué)者雖然對(duì)湖泊系統(tǒng)中氮素的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行了大量的研究，但或只限于自然底泥生態(tài)系統(tǒng)，或只明確了水生植物吸收、魚類覓食等單一過程中氮素的轉(zhuǎn)化過程，均未全面包含水-沉積物界面、 水_氣界面、水生植物、微生物及魚類等全方位氮循環(huán)。因此，當(dāng)綜合考慮整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，各脫氮途徑間的氮素輸出、轉(zhuǎn)化和定量關(guān)系難以確定，從而阻礙了湖泊生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)修復(fù)的研究。雖然國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)湖泊水體富營養(yǎng)化生態(tài)修復(fù)模擬進(jìn)行了一定的研究，并研發(fā)了一系列技術(shù)，但是迄今為止，能夠?qū)⒃缓闯练e物、上覆水、沉水植物、氮循環(huán)菌等因素整合到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行研究的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法較少。采用實(shí)驗(yàn)室人工模擬湖泊生態(tài)系統(tǒng)及野外實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行包括水-沉積物界面、水-氣界面、沉水植物、脫氮微生物及魚類等各方面，精確定量測(cè)量整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法還未見報(bào)道。因此，研究此類方法對(duì)富營養(yǎng)化湖泊水體治理具有積極意義。針對(duì)愈加嚴(yán)重的湖泊富營養(yǎng)化問題及現(xiàn)有方法難以精確模擬不同湖泊生態(tài)修復(fù)手段中氮素的循環(huán)過程。本發(fā)明提供一種精確定量測(cè)量不同湖泊生態(tài)修復(fù)手段中氮素循環(huán)的方法，可以精確定量測(cè)量湖泊生態(tài)氮循環(huán)，從而可以促進(jìn)原位湖泊生態(tài)修復(fù)機(jī)理的研究。 采用該方法可以測(cè)量不同湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮含量，研究氮素在水_沉積物界面的交換、水-氣界面的釋放及在水生植物、水生動(dòng)物等構(gòu)成的食物鏈中的遷移轉(zhuǎn)化，從而精確定量氮素的循環(huán)過程，便于探討生態(tài)修復(fù)機(jī)理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法，為了精確測(cè)量湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)，在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，尤其是采用不同方法分別定量沉積物-水界面氮素遷移轉(zhuǎn)化、水-氣界面氮釋放、水生植物、微生物、碎屑、魚類等生物對(duì)氮素的同化吸收。通過將各種方法整合在一個(gè)系統(tǒng)中，精確定量測(cè)量氮素在整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)。本發(fā)明技術(shù)方案是精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法，1)應(yīng)用同位素配對(duì)方法，通過測(cè)定水中溶解性同位素氣體N2含量，測(cè)量湖泊生態(tài)系統(tǒng)中耦合硝化_反硝化、非耦合硝化_反硝化及厭氧氨氧化過程，從而定量獲得湖泊生態(tài)系統(tǒng)沉積物_水界面的氮素遷移轉(zhuǎn)換指標(biāo)；2)水-氣界面氮素的釋放通過密閉室_氣相色譜法測(cè)定N2O產(chǎn)生量來確定。從而精確定量水_氣界面的氮素釋放量；3)采用杜馬斯法測(cè)定水生植物的生物量及植物體內(nèi)氮素含量，確定水生植物對(duì)氮素的吸收量將植物樣品在900°C 1200°C高溫下燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生混合氣體，其中的干擾成分被適當(dāng)?shù)奈談┧?，混合氣體中的氮氧化物被還原成分子氮，檢測(cè)氮含量，從而明確水生植物對(duì)氮素的同化吸收量；4)同時(shí)，采用MPN法測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)中微生物的生物量，測(cè)定微生物在氮素轉(zhuǎn)換過程中的作用及其對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化量，即利用待測(cè)微生物的特殊生理功能的選擇性，來擺脫其他微生物類群的干擾，并通過該生理功能的表現(xiàn)來判斷該類群微生物的存在和豐度，確定氮循環(huán)菌的生物量，從而明確微生物對(duì)氮的同化吸收；5)應(yīng)用穩(wěn)定性同位素技術(shù)(δ 13C和δ 15N)測(cè)量水生動(dòng)物對(duì)氮素的吸收同化，精確定量氮素的循環(huán)；即測(cè)量水生動(dòng)物食物網(wǎng)及營養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)，確定氮素在食物網(wǎng)中的遷移轉(zhuǎn)化；同位素配對(duì)技術(shù)是將15N指示劑加入到沉積物上覆水中，15N與上覆水中原有的14N 混合并進(jìn)入表層沉積物中，經(jīng)過微生物的硝化、反硝化作用，生成28N2、29N2、3°Ν2。通過膜接口質(zhì)譜儀測(cè)定同位素反硝化產(chǎn)物測(cè)定反硝化速率。同位素配對(duì)技術(shù)可以明確耦合和非耦合硝化-反硝化過程的比例和速率，同時(shí)也能明確厭氧氨氧化脫氮速率，從而精確定量沉積物_水界面氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程。由于空氣中氮?dú)獗镜字岛芨?，直接測(cè)定空氣中的氮?dú)鈺?huì)造成很大誤差，因此本發(fā)明中水_氣界面氮素的釋放通過密閉室_氣相色譜法測(cè)定N2O產(chǎn)生量來確定。從而精確定量水-氣界面的氮素釋放量?？紤]到生態(tài)系統(tǒng)的完整性，需對(duì)水生植物及水生動(dòng)物等對(duì)氮素的同化吸收進(jìn)行研究，本發(fā)明采用杜馬斯法測(cè)定水生植物的生物量及植物體內(nèi)氮素含量，確定水生植物對(duì)氮素的吸收量。將植物樣品在900°C 1200°C高溫下燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生混合氣體，其中的干擾成分被適當(dāng)?shù)奈談┧眨旌蠚怏w中的氮氧化物被還原成分子氮，檢測(cè)氮含量，從而明確水生植物對(duì)氮素的同化吸收量。同時(shí)，采用MPN法測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)中微生物的生物量， 測(cè)定微生物在氮素轉(zhuǎn)換過程中的作用及其對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化量，即利用待測(cè)微生物的特殊生理功能的選擇性，來擺脫其他微生物類群的干擾，并通過該生理功能的表現(xiàn)來判斷該類群微生物的存在和豐度，確定氮循環(huán)菌的生物量，從而明確微生物對(duì)氮的同化吸收。此外，應(yīng)用穩(wěn)定性同位素技術(shù)(S 13C和δ 15N)構(gòu)建湖泊生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)級(jí)關(guān)系，研究魚類等水生動(dòng)物對(duì)氮素的吸收同化，精確定量氮素的循環(huán)。本發(fā)明中上述過程均在同一模擬生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行。通過上述方法的整合，在同一裝置中精確模擬湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮素在沉積物，水體、空氣及水生動(dòng)植物之間的遷移轉(zhuǎn)化。通過上述方法的整合，在同一裝置中精確模擬湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮素在沉積物，水體、空氣及水生動(dòng)植物之間的遷移轉(zhuǎn)化。綜合考慮所有氮素轉(zhuǎn)化途徑時(shí)，氮素變化理想方程式如下
權(quán)利要求
1.精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法，其特征是步驟如下1)應(yīng)用同位素配對(duì)方法，通過測(cè)定水中溶解性同位素氣體N2含量，測(cè)量湖泊生態(tài)系統(tǒng)中耦合硝化_反硝化、非耦合硝化_反硝化及厭氧氨氧化過程，從而定量獲得湖泊生態(tài)系統(tǒng)沉積物_水界面的氮素遷移轉(zhuǎn)換指標(biāo)；2)水-氣界面氮素的釋放通過密閉室_氣相色譜法測(cè)定N2O產(chǎn)生量來確定。從而精確定量水_氣界面的氮素釋放量；3)采用杜馬斯法測(cè)定水生植物的生物量及植物體內(nèi)氮素含量，確定水生植物對(duì)氮素的吸收量將植物樣品在900°C 1200°C高溫下燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生混合氣體，其中的干擾成分被適當(dāng)?shù)奈談┧眨旌蠚怏w中的氮氧化物被還原成分子氮，檢測(cè)氮含量，從而明確水生植物對(duì)氮素的同化吸收量；4)同時(shí)，采用MPN法測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)中微生物的生物量，測(cè)定微生物在氮素轉(zhuǎn)換過程中的作用及其對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化量，即利用待測(cè)微生物的特殊生理功能的選擇性，來擺脫其他微生物類群的干擾，并通過該生理功能的表現(xiàn)來判斷該類群微生物的存在和豐度，確定氮循環(huán)菌的生物量，從而明確微生物對(duì)氮的同化吸收；5)應(yīng)用穩(wěn)定性同位素技術(shù)(δ13C和δ 15N)測(cè)量水生動(dòng)物對(duì)氮素的吸收同化，精確定量氮素的循環(huán)；即測(cè)量水生動(dòng)物食物網(wǎng)及營養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)，確定氮素在食物網(wǎng)中的遷移轉(zhuǎn)化；上述過程均在同一模擬生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行，即在同一裝置中精確模擬湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮素在沉積物，水體、空氣及水生動(dòng)植物之間的遷移轉(zhuǎn)化；綜合考慮所有氮素轉(zhuǎn)化途徑時(shí)，氮素變化方程式如下
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法，其特征是步驟1)中所述同位素配對(duì)技術(shù)測(cè)定測(cè)量湖泊生態(tài)系統(tǒng)中耦合硝化_反硝化，將適量15N標(biāo)記的指示劑添加到上覆水中，經(jīng)一段時(shí)間的密閉培養(yǎng)，采集水樣，運(yùn)用同位素質(zhì)譜儀測(cè)定水樣中的溶解性同位素N2，確定反硝化通量，從而定量沉積物_水界面的氮素遷移轉(zhuǎn)化量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法，其特征是步驟2)靜態(tài)箱_氣相色譜法測(cè)定氮素釋放量，在湖泊系統(tǒng)上部設(shè)置氣體收集室，密閉培養(yǎng)，通過真空瓶收集氣體，經(jīng)氣相色譜測(cè)定N2O的含量定量水-氣界面的氮素釋放量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法，其特征是步驟4)MPN 法測(cè)定微生物生物量分別配制氮循環(huán)細(xì)菌的選擇培養(yǎng)基，接種水樣進(jìn)行培養(yǎng)，根據(jù)不同的指示劑反應(yīng)各種氮循環(huán)菌(氨化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌)，查MPN表確定細(xì)菌的數(shù)量，確定氮循環(huán)菌的生物量，檢測(cè)對(duì)應(yīng)于不同MPN條件下，水體中被轉(zhuǎn)化的氮含量。
全文摘要
精確定量湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的方法，1)應(yīng)用同位素配對(duì)方法，定量研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)沉積物-水界面的氮素遷移轉(zhuǎn)換；2)水-氣界面氮素的釋放通過密閉室-氣相色譜法測(cè)定N2O產(chǎn)生量來確定。從而精確定量水-氣界面的氮素釋放量；3)采用杜馬斯法測(cè)定水生植物的生物量及植物體內(nèi)氮素含量，確定水生植物對(duì)氮素的吸收量4)采用MPN法測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)中微生物的生物量，測(cè)定微生物在氮素轉(zhuǎn)換過程中的作用及其對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化量，5)應(yīng)用穩(wěn)定性同位素技術(shù)測(cè)量水生動(dòng)物對(duì)氮素的吸收同化，精確定量氮素的循環(huán)；即測(cè)量水生動(dòng)物食物網(wǎng)及營養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)，確定氮素在食物網(wǎng)中的遷移轉(zhuǎn)化；上述過程均在同一模擬生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行。
文檔編號(hào)G01N33/18GK102507913SQ20111038358
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月26日
發(fā)明者劉丹丹, 華蓉, 葉忠香, 吳寧梅, 周濤, 李正魁, 王易超, 趙琳 申請(qǐng)人:南京大學(xué)