三峽庫區(qū)典型消落帶土壤氨氧化作用及N2O的微生物發(fā)生機制研究.pdf

1、水電蓄水和運行過程中，水庫水體和消落帶將產生較多的溫室氣體。由于水位的季節(jié)性交替和不定期的水位浮動，使得水庫消落帶區(qū)域內的土壤處于好氧和厭氧交替的條件下，有研究者意識到這一區(qū)域是重要的N2O排放源。隨著水電開發(fā)和水利工程建設進程的加快，為明確水庫對全球大氣N2O的“源”“匯”功能，很有必要開展水庫尤其是庫區(qū)消落帶N2O排放及其機制的研究。目前，N2O的發(fā)生機制共識是微生物的硝化作用一一即將NH3-N、NO2--N氧化的過程和反硝化作用—

2、即將氧化態(tài)氮NO3--N、NO2--N還原為N2的過程中產生的。由于微生物的生長環(huán)境復雜，硝化作用和反硝化作用往往同時發(fā)生，對于N2O產生主要貢獻是硝化作用還是反硝化作用存在著爭議。由于參與氮循環(huán)過程氨化、硝化、反硝化作用的微生物眾多，因此，還沒有找到一類微生物作為N2O發(fā)生的指示微生物。最近，研究人員從中國9個地區(qū)16種土壤樣本中發(fā)現(xiàn)并分離出了大量不同氨氧化活性的異養(yǎng)氨氧化細菌，其能夠在氮素代謝進程中進行氨化—氨氧化—亞硝酸或硝酸還原

3、反硝化脫氮作用。是否可以從異養(yǎng)氨氧化細菌入手，從微生物學角度探究水庫消落帶N2O發(fā)生機制。本文以重慶三峽庫區(qū)兩種不同類型消落帶土壤為供試土樣，通過外加有機碳源（葡萄糖），從微生物學角度，探尋水庫典型消落帶土壤是否存在異養(yǎng)氨氧化作用，在其發(fā)生的過程中是否有N2O排放，并了解其氮代謝氧化過程，探究水庫消落帶土壤的N2O發(fā)生機制。實驗結果表明：
　　1、供試土壤無論是否外加有機碳源，均發(fā)生了不同程度的硝化作用。外加有機碳源（0.01mo

4、l/L葡萄糖）與純無機銨鹽培養(yǎng)條件下相比，NO2--N積累量明顯提高，說明供試土壤具有較強異養(yǎng)氨氧化能力。在不同濃度葡萄糖（0.01mol/L、0.02mol/L和0.04mol/L)培養(yǎng)條件下，均能發(fā)生異養(yǎng)氨氧化作用，且在低葡萄糖濃度條件下，NO2--N積累量更高。
　　2、通過對異養(yǎng)氨氧化活菌計數(shù)結果表明，重慶三峽庫區(qū)兩種不同類型消落帶土壤中均存在大量異養(yǎng)氨氧化細菌。在計數(shù)的同時成功分離得到了一大批具有硝化活性的異養(yǎng)菌株。從中

5、選擇活性較強且穩(wěn)定的菌株E作為供試菌株進行了后續(xù)研究。經鑒定供試菌株E為鞘氨醇單胞菌屬中的菌株（Sphingomonassp.)。
　　3、研究了供試菌株E在不同濃度同一碳源葡萄糖好氧培養(yǎng)條件下對菌株生長和硝化活性的影響。實驗結果表明：
　　(1)不同濃度的葡萄糖對菌株E的生長和氨氧化活性存在著差異。菌株E對 NH4+-N和葡萄糖的合成利用與分解代謝基本上是同步進行的。當濃度為0.01mol/L時，葡萄糖被消耗完全而NH4+

6、-N損失率僅為42.48％;濃度為0.02mol/L時，NH4+-N和葡萄糖都基本耗光，去除率分別為99.81%和89.09%;在0.04mol/L時，NH4+-N被消耗完全而葡萄糖消耗僅為42.48%。說明異養(yǎng)氨氧化菌株E的適宜葡萄糖濃度為0.02mol/L，折合成COD/N約為14.39左右。
　　(2)整個氨氧化過程中，不同葡萄糖濃度下（0.01mol/L、0.02mol/L和0.04mol/L)，僅有極少量的NO2—-N累

7、積，分別為0.074mg/L、0.089mg/L和0.036mg/L，在高濃度條件下NO2、N累積量反而降低。從培養(yǎng)前后氮元素平衡計算來看，在不同葡萄糖濃度下，菌株E在好氧培養(yǎng)前后分別有12.22%、31.51%和21.00%的全氮損失，其中葡萄糖濃度為0.02mol/L時損失量最大。
　　(3)菌株E在好氧條件下不具有反硝化和亞硝化的能力。
　　為了解菌株E培養(yǎng)過程中全氮損失的氮脫除路徑，通過1L密封雙孔瓶對菌株 E好氧培

8、養(yǎng)開展N代謝產物多樣性研究。由氮元素平衡分析可知，不同葡萄糖濃度（0.01mol/L、0.02mol/L和0.04mol/L)純氧密封培養(yǎng)條件下生成的菌體生物氮是菌株硝化過程中氮脫除的主要去向，分別占總氮去除量的75.55%、73.3%和80.60%。此外，分別有11.76%、25.72%和18.45%的氮轉化為氣體形態(tài)，其中累積產生的氣體脫氮產物N2O含量分別為0.02ppmv、0.20ppmv和0.33ppmv，隨葡萄糖濃度升高，N