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反硝化作用調節(jié)城市河湖互聯網絡中N2O排放的時空格局

更新時間:2024-03-25      點擊次數:608

 

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背景圖片

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背景簡介

前大氣N2O的平均濃度約333 ppb,并以每0.25%-0.31%的速度持續(xù)增加。100年的時間尺度上N2O的溫室效應潛力CO2265N2O是影響全球氣候變化的重要因素。城市河流N2O產生和排放的熱點。在中國許多城市,為了改善城市河流的水質和水動力條件,建設了相互連接的河湖網絡N2O的產生受到內陸水系微生物過程的強烈控制。最近的研究發(fā)現,硝化和反硝化都N2O產生的主要途徑。反硝化作用N2O的貢獻隨著湖泊富營養(yǎng)化水平的增加而增加。然而,在廢水處理廠和農業(yè)河流的下游經常觀察到NH4+濃度硝化作用可能主N2O的產生。

本研究的目的是:

1)       N2O濃度和排放的時空分布

2)       揭示影N2O排放的潛在因素

3)       確定各種途徑N2O產生消耗的貢獻,揭示互聯河湖網N2O排放時空變化的控制機制。

該研究將促進對調節(jié)城市地表水N2O排放的微生物過程的認識,并為水質N2O排放綜合管理提供理論依據。

研究方法

站點描述

武漢市的地表水面積占城市總面積的四分之一是中國地表水面積最大的城市。隨著經濟的發(fā)展和人口的增長,該地區(qū)的河流和湖泊遭受了不同程度的污染。為了改善水質和水量,武漢將河流和湖泊連接起來形成河湖網絡。盡管城市中的河流與湖泊通過渠道進行物理連接,但由于水位、水閘和水壩的原因,河流與湖泊之間的實際連通性大不相同。因此,相互連接的河湖網絡中的水質和溫室氣體排放在該地區(qū)具有很大的時空異質性。

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1. 本研究采樣點的地理位置和土地利用類型。城市河流的一端與湖泊相連,另一端與長江相連,形成了一個河湖網絡。在城市河流與長江的連接處安裝了水閘,在河流與湖泊的連接處設置了溢流壩,以調節(jié)河流流量。河流采樣點分別設置在農村(綠色周期)和城市(紅色和黃色周期)。湖泊采樣點設置在與河流連接處附近。

樣品采集

樣本采集2021320221月的四個季節(jié)。調查了長江以南的七條河流和十一個湖泊(1)。共設置49個采樣點。所有研究河流的寬度10m20m,深度1m2m。城市河流長度2.3km9.2km,農業(yè)河流長度45.1km。本研究將城市區(qū)域內的河流分為孤立的城市河流UR)和與湖泊相連的城市河LUR)。

實驗使用便攜式水質參數測量儀Hach CompanyUSA)在現場測量水體的溫度、溶解氧DOpH值、電導率EC)等物理化學參數,并收集水樣進行δ18O-H2OTDN(總溶解氮)DOC(溶解有機碳)等的分析。此外,還通過提取微生DNA使用實時定量聚合酶鏈式反應qPCRRoche LightCycler®480)來評估與N2O產生相關的基因豐度(16S rRNAAOAamoAAOBamoAnirSnirKnosZ)。研究者還使用了同位素模型來定量估N2O產生和消耗過程。

 

統(tǒng)計分析

N2O和瑞利分餾模型δ15N-spδ18O的同位素映射方法來計N2O產生和消耗的途徑(硝化和反硝化)的貢獻(2)。硝化作用和反硝化作用的貢獻比例可以通過截距和兩個端元SP值來計算。

圖示描述已自動生成 

2:估N2O混合和減少的映射方法。場1M-R):首先將反硝化和硝化產生N2O混合,然后通過完全反硝化將混合后N2O還原;場2R-M):通過異養(yǎng)反硝化產生N2O首先被還原,然后剩余N2O與通過硝化產生N2O混合。圖的坐標是微生物衍生N2O的同位素值。

 

Picarro 儀器的使用

水樣δ18O-H2O(水的氧同位素比值)通過水蒸氣同位素分析儀PicarroL2130-iUSA進行測量δ18O-H2O的分析精度±0.1

在本研究δ18O-H2O數據被用于以下幾個目的:

1)       N2O來源分析:通過測量水樣中δ18O-H2O值,研究者可以區(qū)分微生物產生N2O和大氣中N2O。這是因為微生物在產生N2O過程中,會從水中獲取氧原子,而這個過程中水的同位素組成會發(fā)生變化。通過比較水樣中δ18O-H2O值和大N2Oδ18O值,可以估計微生物活動N2O產生的貢獻。

2)       定量分析N2O產生途徑:研究者使用同位素模型(Rayleigh分餾模型)結δ18O-H2O數據,可以定量分N2O產生途徑,即區(qū)分硝化作用和反硝化作用N2O的貢獻。這有助于理解在不同水體N2O產生的主要微生物過程。

3)       分析環(huán)境因素N2O排放的關系δ18O-H2O數據還可以幫助研究者理解環(huán)境因素(如溫度、溶解氧濃度等)如何影N2O的產生。例如,溫度和溶解氧濃度的變化會影響微生物活動,從而影N2O的產生和排放。

4)       時空變異性研究:通過在不同季節(jié)和地點收δ18O-H2O數據,研究者可以揭N2O排放的時空變異性,這對理解城市河湖網絡N2O排放的動態(tài)變化至關重要。

 

研究結論

文章調查了武漢市一個相互連接的河湖網絡的溶N2O濃度和排放。利N2O相關基因豐度和同位素模型定量估算了微生物產生和消N2O的過程。研究結果表明N2O濃度、排放和產生途徑存在顯著的空間變化。較高的氮含量和缺氧條件導UR中的N2O產生和排放。然而,有效的河湖互聯項目增加了溶解氧濃度,降低LURTDNNO3-NNH4+-N濃度。這些環(huán)境因子的變化通過抑制硝化和反硝化作用,顯著降低N2O濃度和排放通量。這些發(fā)現推進了對調節(jié)內陸水N2O排放的微生物過程的認識,并說明應調整水閘和水壩的控制來有效連接城市河流和湖泊,從而改變氧化還原條件和氮含量,進而N2O排放。

 

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