海水反硝化和厌氧氨氧化速率同步测定的15N示踪法及其应用

反硝化与厌氧氨氧化作用是海洋结合态氮迁出的主要途径,15N示踪法是定量反硝化和厌氧氨氧化作用的新方法,它具有灵敏度高、可同步测量反硝化与厌氧氨氧化速率的优点.本研究开展了一系列方法学实验,以确定高纯氦气驱赶水样所含气体的时间、超声赶气时间、同位素比值质谱仪测量N2含量的精度、N2含量及其同位素组成测定的工作曲线以及示踪剂的最佳添加量等,从而确立起15N示踪同步测定海水反硝化和厌氧氨氧化速率的方法.所建立方法测量N2含量的相对标准偏差小于8%,可满足海洋反硝化与厌氧氨氧化速率测定的需要.应用该方法实测了厦门筼筜湖富氧与缺氧水体的反硝化与厌氧氨氧化速率,结果表明,缺氧底层水的反硝化速率[4.10～5.47μmol/（dm3·d）]比富氧表层水[0.43～0.46μmol/（dm3·d）]明显来得高,但缺氧底层水的厌氧氨氧化速率[0.00～0.12μmol/（dm3·d）]则比富氧表层水的速率[0.52～0.67μmol/（dm3·d）]低得多.     

渤海和南黄海沉积物中氨氧化微生物对硝化潜势的相对贡献

硝化作用是海洋氮循环的核心过程。作为硝化过程关键步骤的氨氧化过程的主要参与者,氨氧化古菌和氨氧化细菌对硝化作用的相对贡献是海洋氮循环关注的热点问题之一。本文选取渤海和南黄海20个站位的表层沉积物,通过微宇宙培养实验研究了沉积物中氨氧化古菌和氨氧化细菌对硝化潜势的相对贡献。结果表明,渤海和南黄海海域表层沉积物中潜在硝化速率(以氮计,下同)为0.004 6～0.283 1μmol/(g·d),其中氨氧化古菌潜在硝化速率为0.004 3～0.274 3μmol/(g·d),氨氧化细菌潜在硝化速率为0.000 4～0.056 0μmol/(g·d)。氨氧化古菌是硝化潜势的主要贡献者,在渤海海域的贡献率为59.79%～97.95%,在南黄海海域的贡献率为18.47%～94.26%。渤海海域潜在硝化速率显著高于南黄海海域。此外,本研究海域中盐度是影响潜在硝化速率的关键环境因子,对渤海海域的分析则表明越高的NO₃^-浓度可能指示着越高的硝化潜势。在河口及近海沉积物中,氨氧化古菌在硝化过程中起着更加重要的作用;河口和近岸沉积物硝化潜势总体高于远海。本研究为进一...     

自组装膜进样质谱系统及其在砂质沉积物异化硝酸盐还原研究中的应用

沉积物中的异化硝酸盐还原过程对于海洋氮循环起着至关重要的作用。基于15N标记的培养技术是目前测定沉积物异化硝酸盐还原的主要手段。准确快速测定15N标记的产物(29N2、 30N2)是量化异化硝酸盐还原各个过程速率的关键。本研究自行组装膜进样质谱系统用于29N2和30N2的测定,对其测量条件进行了优化。结果表明,进样蠕动泵进样流速0.80 mL/min,进样时间3~3.5 min,恒温槽温度20~25℃,同时铜还原炉温度在300~600℃的条件下,^29N2/^28N2和^30N2/^28N2的测试精密度分别可以控制在0.1%和1%以内,比较适合29N2和30N2的测定。利用自组装的膜进样质谱系统结合15N标记的培养技术研究了青岛石老人沙滩沉积物中的异化硝酸盐还原过程。石老人沙滩沉积物不存在将硝酸盐完全还原为氮气好氧的反硝化。厌氧铵氧化、厌氧反硝化和异化硝酸盐还原为铵(Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium,DNRA)的潜在速率(以湿沉积物N计)分别为(0.05±0.01) nmol/(cm^3·h),(2.32±0.21) nmol/(cm^3·h)和(1.02±0.15) nmol/(cm^3·h)。厌氧反硝化是硝酸盐异化还原主要的贡献者,其比例接近70%,其次是DNRA,比例可达30%,而厌氧铵氧化的贡献最低,仅为1%。在N2产生过程中,主要贡献者是反硝化,厌氧铵氧化的贡献仅为2%。     

秋季黄河口附近海域沉积物反硝化速率及影响因素研究

用乙炔抑制法和现场静态箱法对黄河口附近海域秋季的反硝化速率进行了研究,该海域反硝化速率在3.8~19.3μmol/(m2.h)之间,平均10.27μmol/(m2.h)。影响其反硝化速率的主要因素为反硝化细菌的数量。黄河口的反硝化速率低于珠江口和长江口海域。     

好氧时间与缺氧时间变化对O/A-SBR处理海水养殖废水性能影响

考察了好氧时间与缺氧时间的变化对好氧/缺氧-序批式反应器(O/A-SBR)处理海水养殖废水性能的影响。结果表明,好氧时间/缺氧时间变化对COD去除效果影响不大,但对O/A-SBR的脱氮性能有着明显的影响。当好氧时间/缺氧时间从2h/8h逐渐地变为0.5h/9.5h时,污泥比好氧速率(SOUR)从36.49mg O2/(g MLSS·h)逐渐降低到31.93mg O2/(g MLSS·h),溶解氧的高低直接地影响着活性污泥SOUR的大小。活性污泥的比氨氧化速率(SAOR)和比硝酸盐氧化速率(SNOR)在好氧时间长的情况下相对较高,但好氧条件却抑制了活性污泥的反硝化速率(SNRR)。好氧时间与缺氧时间变化使O/A-SBR中微生物群落结构发生变化,一些微生物不能够适应环境变化的微生物可能减弱或被淘汰。     

养殖海水初始pH值对硝化作用影响的研究

本工作进行了一系列实验,研究pH对养殖海水硝化作用的影响.结果表明,水体硝化作用受到pH的影响,硝化作用适宜的水体pH范围为弱碱性.在水体初始pH值为8.10时,硝化的速率为2.416μmol/(d·dm3),水体的硝化率达到最大.硝化作用基本符合一级反应的动力学模式.     

盐度对双齿围沙蚕耗氧率和排氨率的影响

为优化双齿围沙蚕养殖条件,促进沙蚕资源的合理开发和利用,作者探讨了不同盐度下(8、16、24、32、40、45)双齿围沙蚕(Perinereis aibuhitensis)耗氧率和排氨率的情况。结果表明:盐度对双齿围沙蚕的耗氧率和排氨率均有显著性影响(P0.05)。在盐度为8~32时,耗氧率随着盐度的升高呈先下降后上升的趋势;在盐度为24时耗氧率最低(0.22 mg/(g·h)±0.01 mg/(g·h));在盐度为32时耗氧率达到最大值(0.37 mg/(g·h)±0.05 mg/(g·h))。在盐度为8~40条件下,沙蚕的排氨率随着盐度的升高呈先降低后上升的趋势;在盐度为24时,双齿围沙蚕的排氨率最低(0.10μmol/(g·h)±0.02μmol/(g·h));当盐度为40时排氨率达到最大值(0.94μmol/(g·h)±0.11μmol/(g·h))。盐度为8~40时,沙蚕的O︰N比值随着盐度的上升呈先升高后降低的趋势,在盐度24和32时,沙蚕的O︰N比值分别为130.84和126.47,且变化较小,当盐度40时,O︰N比值急剧下降到13.3,然后再度上升。综合上述结果,双齿围沙蚕生活的最适盐度为24~32。     

一株卓贝尔氏菌F13-1好氧反硝化特性及其反硝化基因的初步研究

为获得高效好氧反硝化细菌,并研究这些细菌的脱氮特性以及好氧反硝化机理,采集了近海表层沉积物进行富集培养,分离获得一株具有高效好氧反硝化能力的菌株F13-1.结合生理生化特征及16S rRNA基因序列分析,初步鉴定菌株F13-1为卓贝尔氏菌(Zobellella sp.).在以葡萄糖为碳源,C/N比值为15,盐度为30,摇床转速160 r/min,p H值为7,28℃的最优脱氮条件下菌株F13-1脱氮效果较好,分别能将100 mg/dm3硝酸盐和亚硝酸盐在24和16 h内彻底脱除,脱除速率分别为:5.87 mg/(dm3·h)和5.97 mg/(dm3·h).并且菌株F13-1对高浓度亚硝酸盐具有较好的耐受性,能在高浓度亚硝酸盐存在条件下正常生长及脱氮,156 h内能将400 mg/dm3亚硝酸盐脱除完全.基因组分析表明,该菌株具有完整的反硝化基因簇,包括nap、nir、nor和nos等共17个基因.研究结果表明该菌株具有高效好氧反硝化特性,在养殖废水处理中具有较好的应用潜力.     

春季西北太平洋水体中甲烷和氧化亚氮的分布及海气交换通量

于2010年5—6月搭乘日本KH10-1航次,对西北太平洋两个不同深度站位甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的垂直分布及海气交换通量进行了研究。结果显示:研究海域表层海水中CH4和N2O浓度分别为(2.55±0.22)nmol/L和(7.50±1.11)nmol/L,饱和度分别为126%和116%,均处于轻度过饱和状态。在垂直方向上,CH4浓度分布呈现次表层极大的特征,次表层以下CH4浓度随深度增加逐渐减小。CH4次表层极大值可能是由于细菌利用甲基化合物进行好氧产生和在悬浮颗粒物、浮游动物或其他海洋生物肠道内厌氧微环境产生的综合作用造成的。N2O浓度随深度的增加而增大,在跃层下部达到最大值,N2O与溶解氧的垂直分布呈镜像关系。水体中N2O主要通过硝化过程产生。利用LM86和W92公式计算得到CH4的海气交换通量分别为(0.76±0.57)μmol/(m2·d)和(1.57±0.67)μmol/(m2·d),N2O的海气交换通量分别为(1.96±0.24)μmol/(m2·d)和(3.08±0.38)μmol/(m2·d),因此西北太平洋是大气CH4和N2O的净源。     

大亚湾海域沉积物中的硝化与反硝化作用

2004年1、4、8、10月在大亚湾海域的4个站点采用自行设计和制作的无扰动沉积物采样器采集沉积物样品,通过使用AIT技术(乙炔同时抑制硝化与反硝化作用),进行实验室同步恒温受控模拟培养实验,并同时测定沉积物上覆水的温度、盐度、DO和pH值,沉积物的Eh值和有机质含量,间隙水的NO3-、NO2-和NH4 浓度,研究沉积物中的硝化与反硝化速率及其影响因素。结果显示大亚湾沉积物的硝化速率范围为[(0.00—4.68)±0.87]μmol/(m2·h);反硝化速率范围[(0.00—2.88)±0.41]μmol/(m2·h);硝化与反硝化作用之间存在耦合,比例范围为0%—100%。沉积物的硝化、反硝化速率和耦合比例与上覆水的温度、DO含量,及沉积物中的有机质含量和Eh值密切相关,人类活动对沉积物的硝化与反硝化作用有明显的影响。     

~(35)SO_4~(2-)示踪法测定九龙江河口沉积中硫酸盐还原速率

在2011年7月利用35SO2-4培养示踪法测定九龙江河口两个站位(A站位位于咸淡混合区,盐度3~5;B站位位于海相区,盐度20~25)沉积柱中硫酸盐还原速率的垂直分布。结果显示A站位沉积柱中硫酸盐还原速率变化范围为54~2 345nmol/(cm3·d),从表层到底部先增大后减小,最大值出现在20cm深度附近;B站位硫酸盐还原速率在24~987nmol/(cm3·d)之间,分别在10cm和78cm深度附近出现两个峰值,分别为876nmol/(cm3·d)和987nmol/(cm3·d)。综合分析两个站位孔隙水中SO2-4、甲烷浓度和沉积物中总有机碳、温度和氧化还原电位的垂直变化趋势与其硫酸盐还原速率的分布规律,表明A站位沉积物中硫酸盐还原以有机矿化为主;B站位受到有机质矿化和甲烷厌氧氧化的共同作用;两个站位硫酸盐还原速率及垂直分布趋势受孔隙水中SO2-4浓度、有机质活性和温度的共同影响;根据各个层位硫酸盐还原速率估算两个站位硫酸盐还原通量(以硫计)分别为527.9mmol/(m2·d)和357.1mmol/(m2·d),表明硫酸盐还原是九龙江河口有机质厌氧矿化的重要路径。     

基于次溴酸钠氧化-氨基磺酸还原测定沉积物15N加富培养样品中的15NH+4的方法探索

沉积物中的异化硝酸盐还原过程是海洋中活性氮转化的关键过程之一.不同于反硝化和厌氧铵氧化,异化硝酸盐还原为铵(DNRA)是将硝酸盐直接还原为铵,而不是以氮气的形态移除,这有可能会加重水体富营养化和缺氧.目前测定沉积物中异化硝酸盐还原过程的主要手段是15N标记培养技术.为了准确评估DNRA的潜在速率,首先要准确测定加富样品...     

盐度对刺参(Apostichopus japonicus)呼吸和排泄的影响

采用封闭式呼吸器法研究了(15±0.5)℃水温条件下不同盐度(22、27、31.5、36)对四种规格刺参{S[(39.60±8.77)g]、M[(71.80±14.04)g]、L[(128.30±19.69)g]和XL[(196.65±19.81)g]}呼吸和排泄的影响。结果表明,各规格组刺参单位体重耗氧率[Rwr,μg/(g·h)]和排氨率[(Rwe,μg/(g·h)]在盐度22—31.5范围内均随着盐度的升高而降低,当盐度升高至36时,二者都明显升高;各盐度下实验刺参的单位体重耗氧率分别为17.52、16.32、15.49和17.60μg/(g·h),单位体重排氨率分别为1.05、0.88、0.87和0.95μg/(g·h);在同一盐度下,刺参体重越大,其单位个体耗氧率[Rir,μg/(ind·h)]和排氨率[Rie,μg/(ind·h)]越高,二者呈幂函数关系,可用关系式Rir(或Rie)=aWb表示;关系式Rir=aWb中,a值的变动范围为40.6656—81.1900,b值为0.6432—0.8145;而关系式Rie=aWb中,a值的变动范围为2.0947—4.8489,b值为0.6507—0.8072;盐度对刺参O∶N比的影响不显著,各盐度条件下,不同规格的刺参,其O∶N比均在15左右,表明本实验条件下该参代谢所需要的能量主要由脂肪和碳水化合物提供。从呼吸和排泄的角度来看,刺参在其最适温度(15℃)条件下,具有一定的渗透压调节能力,能够适应较广的盐度变化范围(22—36)。     

北黄海沉积物——水界面反硝化速率及影响因素研究

探讨近海氮的循环机制,采用乙炔抑制法和现场静态箱法对北黄海夏季局部海域的反硝化速率进行了研究,该海域反硝化速率在2.5~5.8μmol/m2.h之间,平均4.85μmol/m2.h。影响其反硝化速率的主要因素为溶解氧,其次是温度。北黄海的反硝化速率低于珠江口和长江口海域。     

不同温度条件下褐菖鲉幼鱼的耗氧率和排氨率

利用静水密闭式呼吸仪,测定了不同温度(10、12、……、30℃)条件下褐菖鲉(Sebastiscus marmoratus)幼鱼耗氧率和排氨率变化.结果表明,温度对幼鱼耗氧率和排氨率均有显著影响(p0.05).温度10~30℃,幼鱼耗氧率、排氨率变化范围分别为0.02~0.30 mg/(g·h)和2.64~10.01μg/(g·h),温度26、16℃时耗氧率和排氨率分别上升至峰值,分别为最小值10℃组的15.00、3.79倍;温度(T)对幼鱼耗氧率R O[mg/(g·h)]和排氨率R N[μg/(g·h)]的影响可分别用多项式表示:R O=-2.00×10-5T4+1.50×10-3T3-3.69×10-2T2+0.397 8T-1.537 6,R2=0.988和R N=3.00×10-5T6-4.00×10-3T5+0.199 6T4-5.111 1T3+70.817T2-501.10T+141 5.80,R2=0.964;幼鱼的氨熵变化范围为0.02~0.19,其蛋白质供能比变化范围为5.64%~56.65%,平均蛋白质供能比为22.56%;各温度跨度代谢率Q10值均值为4.02,18~28℃代谢率Q10值为2.81±0.09与鱼类平均Q10值较接近;各温度跨度组排泄率Q10均值为0.93,对比同一温度跨度组代谢率和排泄率Q10值,代谢率Q10值均大于排泄率Q10值两倍以上,最大组间相差达7倍.因此,幼鱼能量消耗的供能物质以脂肪和碳水化合物为主,蛋白质为辅.此外,温度变化对幼鱼代谢的影响程度明显大于对排泄的影响,且其适宜生长温度为18~28℃.     

珠江口沉积柱中厌氧氨氧化活动的梯烷脂记录

为了反演珠江口过去环境的厌氧氨氧化活动状况,本文分析了来自珠江口3个站位的柱状沉积物中梯烷脂的含量,在所有的样品中均检测到了梯烷脂,表明珠江口地区存在厌氧氨氧化活动。P03沉积柱的梯烷脂总含量为0.16~4.13μg/g,L1为0.15~1.3μg/g,C2T为0.07~2.19μg/g。梯烷脂的垂直分布特征表明3个沉积柱中厌氧氨氧化细菌的来源可能不同,P03沉积柱中梯烷脂可能主要来源于沉积物中的厌氧氨氧化细菌,而L1梯烷脂可能来自上层水体和沉积物,C2T的厌氧氨氧化活动可能主要发生在底层缺氧水体中。将梯烷脂与总有机碳(TOC)作相关性分析,结果显示在TOC含量高的柱状样中,两者相关性好,TOC校准后的梯烷脂与原梯烷脂的分布趋势的一致性,表明梯烷脂含量能够指示厌氧氨氧化活动。对珠江口过去的厌氧氨氧化活动的重建表明P03站位沉积物中厌氧氨氧化活动自1970—1990增强,L1站位的厌氧氨氧化活动近十年来亦逐年增强,C2T站位上覆水体的厌氧氨氧化活动则呈现近几年快速增强的趋势。虽然本研究仅初步探讨了近些年来珠江口厌氧氨氧化活动的变化规律,但为进一步研究珠江口氮循环过程提供了良好的基础。     

一株异养硝化-好氧反硝化地衣芽孢杆菌的脱氮特性及机制研究

分离自对虾养殖池塘的地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)MP15具有高效的异养硝化-好氧反硝化性能。为了进一步研究菌株MP15的脱氮特性和脱氮机制,本研究采用氮同位素标记法,对其在氮基础降解液中的脱氮特性和机制进行了深入的研究。研究结果显示:在初始无机氮浓度为42 mg/L的氮基础降解液中,其对NH~+_4-N、NO~-_2-N和NO~-_3-N的最大去除速率分别为1.03 mg NH~+_4-N/(L·h)、1.74 mg NO~-_2-N/(L·h)和1.02 mg NO~-_3-N/(L·h)。氮代谢过程中羟胺氧化还原酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶的酶比活力分别为0.540 6、0.157 8和0.160 9 U/mg。对菌株MP15脱氮过程中的~(15)N同位素示踪结果显示,以NH~+_4-N作为唯一氮源时,仅产生~(15)N_2O;当菌株MP15分别以NO~-_2-N和NO~-_3-N作为唯一氮源时,可同时检测到~(15)N_2O和~(15)N_2。综合上述结果,菌株MP15对无机氮的去除主要包括:同化作用、硝化作用和反硝化作用。其中对NH~+_4-N的硝化途径为:NH~+_4-N→NH_2OH→N_2O;对NO~-_2-N的硝化-反硝化途径为:NO~-_3-N←NO~-_2-N→N_2O/N_2;其对NO~-_3-N的反硝化途径为:NO~-_3-N→NO~-_2-N→N_2O/N_2。     

超高盐度对耐盐活性污泥脱氮、微生物活性和群落结构的影响

采用能耐受3%盐度的活性污泥处理高盐度废水,探究了盐度升至4%～7%对污染物去除的影响,考察了微生物活性和群落结构随盐度升高的变化。结果表明,盐度提升到4%、5%和6%对COD、NH~+_4-N和总无机氮(TIN)去除几乎没有影响,而7%盐度时三者的去除率均明显下降;盐度提高到4%对污泥的氨氧化活性和亚硝酸盐氧化活性有刺激作用,使两者提高,而盐度提高到5%、6%和7%时氨氧化活性受到明显抑制,亚硝酸盐氧化活性在6%和7%盐度条件下明显降低;盐度提升使硝酸盐和亚硝酸盐还原活性均受到明显抑制;耗氧速率测试结果表明,盐度提升对自养硝化菌的负面影响较异养好氧菌更大。微生物群落结构随盐度升高发生了明显变化,微生物群落丰富度和多样性均在6%盐度时最大,3%盐度时Roseovarius为优势菌属,而盐度提高至4%～7%时Azoarcus成为优势菌属。氨氧化菌(AOB)只在3%、4%和6%盐度下被检出,亚硝酸盐氧化菌(NOB)在所有盐度下均未检出,短程硝化反硝化(PND)为主要脱氮途径;自养反硝化菌、好氧反硝化菌和厌氧氨氧化菌的存在说明脱氮途径不局限于传统的自养硝化-异养反硝化。盐度驯化提高了活性污泥的抗盐能力,使生物法处理超高盐废水成为可能。     

循环水养殖系统中好氧反硝化细菌的分离和应用

为了分离好氧反硝化细菌,探究其好氧反硝化过程。利用BTB培养基,从珍珠龙胆(♀Epinephelus fuscoguttatus×♂Epinephelus lanceolatu)循环水养殖系统的生物滤池中筛选出具有硝酸盐去除能力的细菌,并选择脱氮效果良好的菌株进行好氧反硝化反应器的构建,开展反硝化应用研究。本研究共分离出8株具有去除硝酸盐能力的菌株,经反硝化性能测定,都可大幅去除硝酸盐,同时也存在不同程度的氨氮和亚硝酸盐的积累;选择Z1、Z8两株脱氮效果较好的菌株进行好氧反硝化反应器的混合接种试验,结果显示反应器挂膜迅速、高效,接种2周后即达到相对稳定的水处理状态,硝酸盐去除率超过98.8%(约0.827g NO-3-N/(m2·d)),总氮去除率超过71.8%(约0.687g TN/(m2·d)),亚硝酸盐和氨氮的积累不明显,脱氮效果良好。     

彩虹明樱蛤的耗氧率与排氨率研究

研究了不同水温和不同规格下处于标准代谢状态的彩虹明樱蛤耗氧率与排氨率,并测定了窒息点.结果表明:在20℃时,水中DO大于临界值5.00mg/dm3时,彩虹明樱蛤的耗氧率和排氨率处于相对稳定的状态,分别为2.01×10-3(m/m)/h和16.73μmol/(g.h);当DO低于此值,则代谢出现异常,耗氧率随DO下降而下降,直到窒息为止,其窒息点为1.22mg/dm3,而排氨率也呈直线下降,随着耗氧停止而停止。