氮是影響河口近岸水體富營養(yǎng)化發(fā)生的關(guān)鍵生源要素之一,過量的氮素輸入引發(fā)的水體富營養(yǎng)化會進一步造成有害藻類赤潮、低氧-厭氧、水體酸化等環(huán)境問題。由于受化石燃料燃燒和農(nóng)業(yè)化肥的大量施用等人為活動的影響,河口近岸環(huán)境中氮素的人為輸入已經(jīng)遠遠超過了它的天然輸入,這些高負荷氮絕大部分是以硝態(tài)氮的形式,通過河流、大氣沉降或地下水排放等途徑,最終匯入到了河口及近岸地帶。因此,研究和認識氮素在河口近岸環(huán)境中的削減途徑、機制及其歸宿具有極其重要的意義�；诖�,以中國典型河口及近岸區(qū)域作為研究區(qū),本論文開發(fā)了一種快速、簡單、精確、經(jīng)濟的用來測量樣品中溶解態(tài)氨氮及其它含氮化合物中15N含量的分析方法,研究了河口近岸區(qū)域沉積物中硝態(tài)氮的削減途徑、機制,探討了環(huán)境因子和新型有機污染物(如抗生素等)對于硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化過程的影響,這不僅可以深化氮循環(huán)過程及其影響機制的理論研究,而且對于評價和預測河口近岸區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量演變以及估算其環(huán)境容量均具有重要的現(xiàn)實意義。 近年來,水生生態(tài)環(huán)境中的氮素污染問題得到了人們廣泛地關(guān)注。但是,對于水體中氮素轉(zhuǎn)化過程的測量較難實現(xiàn)。在進行氮轉(zhuǎn)化過程實驗時,經(jīng)常需要測量小體積15N加標樣品中15NH4+的含量。目前已有的測量氮同位素的方法存在耗時長、步驟復雜、成本較高等問題,因此,本論文開發(fā)了一種新型的測量氮同位素的方法("OX/MIMS"方法),即采用次溴酸鹽碘溶液將15NH4+中的15N氧化為氮氣(29N2和30N2),然后用膜入口質(zhì)譜儀(MIMS)來測量15NH4+的濃度。"OX/MIMS"方法所需樣品量較小,并且快速、方便、精準度高(R2=0.9994,p0.0001),同時適用于不同鹽度和同位素含量的樣品。經(jīng)傳統(tǒng)的氮同位素分析方法驗證,證實"OX/MIMS"方法可以用于測量不同的氮轉(zhuǎn)化過程的速率,比如氨氮再生速率、氨氮吸收速率、硝酸鹽異化還原成銨(DNRA)速率等。"OX/MIMS"方法的應用大大提高了氮同位素的測量效率,有助于更加深入地研究淡水和海洋中氮轉(zhuǎn)化過程的機制和歸宿。 反硝化和厭氧氨氧化是自然水體中最重要的活性氮削減過程。本論文以金普灣為典型研究區(qū),采用連續(xù)流裝置與氮同位素示蹤相結(jié)合的方法,測量了沉積物-水界面中反硝化和厭氧氨氧化的速率,以明確在水體富營養(yǎng)化程度較高的河口近岸區(qū)域中硝態(tài)氮的主導削減過程及影響機制。實驗結(jié)果顯示,反硝化和厭氧氨氧化過程的速率分別為1.76-327.97μmol N m-2d-1。和0.33-36.32μmol N m-2d-1。同時發(fā)現(xiàn)反硝化和厭氧氨氧化過程與沉積物中有機質(zhì)的生物有效性、硫化物含量、鐵氧化物含量等環(huán)境因子密切相關(guān)。反硝化過程是最主要的活性氮削減過程,平均占硝態(tài)氮去除量的90%。在研究區(qū)域中,反硝化和厭氧氨氧化過程總共可以削減20%的外源輸入無機氮。然而,大多數(shù)外源輸入的活性氮滯留在水體中,這會加劇研究區(qū)域的水體富營養(yǎng)化程度,進而造成有害藻類赤潮爆發(fā)等環(huán)境問題。 實驗結(jié)果和文獻資料反映,反硝化過程是最主要的硝態(tài)氮削減過程,對于水體富營養(yǎng)化的緩解具有非常重要的意義。同時,近年來因為抗生素的大量生產(chǎn)和使用,其在水體中呈現(xiàn)出“偽持久性”殘留,并造成了對包括反硝化過程在內(nèi)的自然過程的抑制作用,然而其影響機制仍是一個懸而未決的科學問題。為此,本論文采用泥漿實驗的方法,研究了抗生素對反硝化速率和氧化亞氮釋放速率的影響,同時對反硝化基因和抗生素抗性基因進行了定量分析,以明確抗生素對反硝化影響的機理。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),抗生素對反硝化過程具有明顯的抑制作用,并且促進了反硝化過程中間產(chǎn)物氧化亞氮的釋放速率。抗生素對于反硝化速率的抑制可以通過反硝化基因豐度的變化反映出來,其豐度與反硝化速率呈現(xiàn)耦合關(guān)系�？股氐拇嬖诖龠M了抗生素抗性基因數(shù)量的增長,而抗性基因的存在使得抗生素對于反硝化速率的抑制作用有其上限�？股氐拇嬖谝种屏朔聪趸俾�,同時促進了氧化亞氮釋放速率的增長,這可能會造成全球性的環(huán)境問題,比如水體富營養(yǎng)化、溫室效應、臭氧層空洞等。 本論文對硝態(tài)氮削減過程的生態(tài)環(huán)境效應進行了分析,發(fā)現(xiàn)反硝化和厭氧氨氧化作用是河口近岸水生生態(tài)環(huán)境中非常重要的活性氮削減過程,其對活性氮的削減作用能夠有效的緩解活性氮過量輸入造成的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。但是,當水體富營養(yǎng)化程度過高時,其對活性氮的削減能力也達到了飽和,這使得大量的外源輸入的活性氮滯留在水體中,從而加劇了河口近岸區(qū)域的水體富營養(yǎng)化程度。同時,抗生素的存在使得反硝化過程對于硝態(tài)氮削減的能力大大降低。反硝化過程的硝態(tài)氮削減能力降低使得過量的硝態(tài)氮殘留在河口近岸水生生態(tài)系統(tǒng)中,這會造成更加嚴重的水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題�？股貙ρ趸瘉喌尫潘俾实拇龠M作用表現(xiàn)出較為負面的生態(tài)環(huán)境效應,其不僅會對河口近岸區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成較為嚴重的破壞,還可能引發(fā)全球性的環(huán)境問題。
【學位單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：X52
【部分圖文】：

氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨猓∟2);而絕大多數(shù)水生生物不能直接利用氮氣，因此反硝化作用被認為是硝態(tài)氮永久性脫離水生生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑（圖1.2)，對減少水環(huán)境中初級生產(chǎn)者可利用氮的數(shù)量和緩解水體富營養(yǎng)化趨勢具有重要的意義（Burginand Hamilton, 2007)。國外學者為測定反硝化速率提出和設(shè)計了大量的實驗方法，如乙炔抑制法、N2通量法、孔隙水剖面成巖模式法、微電極法、以及i5N同位素7K蹤技術(shù)等（Herbert，1999)。其中乙塊抑制和i5N不蹤技術(shù)是兩種最為常用的測量反確化速率的方法。乙炔抑制技術(shù)是基于N20還原酶被乙炔所抑制，從而使N20不能轉(zhuǎn)化為N2的方法，這是一種簡單、靈敏而又經(jīng)濟的方法。但是，這種方法存在的最明顯缺陷是抑制過程往往不完全，導致反確化速率可能被低估30%-50%。相比較而言，i5N同位素示蹤技術(shù)是目前最為理想的測定反硝化速率的方法。運用同位素示蹤技術(shù)

中國沿海地區(qū)示意圖及采樣站位Figure2.1MapofcoastalregionsofChinashowingthesamplingsites

發(fā)現(xiàn)從起始時刻到氧化180分鐘，測試得到總1、（2N2+2X30N2)的信號強度基本沒有變化(one-way ANOVA, p > 0.1)(圖2.2)。用分光光度法測試了剩余氨氮的濃度，以計算氧化劑對于氨氮的氧化率。經(jīng)測試，所有樣品中剩余氨氮的濃度均低于檢測限（0.1 ^imolL-'),這說明氧化劑對于氨氮的氧化率均達到100%。由以上結(jié)果可以推斷，氧化劑對于氨氮的氧化基本是瞬時的，而且氧化率為100%。雖然沒有測試氧化劑對于活性有機氮（如氨基酸和蛋白質(zhì)等）的氧化效率，但根據(jù)推測認為其應該與氨氮一樣可以達到100%的氧化率（Warembourg，1993)。有機氮中的顆粒態(tài)有機質(zhì)在氧化步驟前可以通過過濾的方式有效去除（圖2.3)。在通常狀況下的自然水體中，溶解態(tài)有機氮中含有的相比氨氮含量極低，基本可以忽略不計。自然水體中浮游植物和微生物釋放出的含氮有機質(zhì)，特別是溶解態(tài)有機氮(如氨基酸等)，會被細菌迅速的吸收利用(Zubkov et al., 2003； Veugeretal.,2004),這是溶解態(tài)有機氮中含有的i5N含量相比氨氮基本可以忽略不計的主要原因。為確定"OX/MMS”方法的標準曲線

【參考文獻】

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本文編號：2827994