专利名称：一种精确定量湖泊生态系统氮循环的方法
技术领域：
本发明属于生态工程修复技术领域，具体涉及一种精确定量湖泊生态系统氮循环的方法。
背景技术：
随着我国经济的快速发展与城乡建设的加快，沿河湖地区氮、磷、有机物等污染物的排放逐年增加，湖泊及入湖河道水环境的污染问题日趋严重，湖泊富营养化加剧。2010 年中国环境状况公报显示，26个国控重点湖泊(水库)中，营养状态为重度富营养的1个， 占3. 8%，中度富营养的2个，占7. 7%，轻度富营养的11个，占42. 3%，其他均为中营养，占 46.2%。主要污染指标是总氮和总磷。说明全国湖泊水体富营养化整体较为严重，形势严峻，湖泊富营养化的治理刻不容缓。目前，湖泊科学家认为氮素是富营养化的关键影响因子之一，对氮素在湖泊中的生物地球化学循环过程进行全面完整的了解，有助于为湖泊系统生态修复提供理论基础， 从而有效控制治理湖泊富营养化。研究表明，氮素经固氮作用输入湖泊生态系统后，在沉积物-水界面进行交换，并通过湖泊中的动物、植物、微生物等生物的同化吸收或选择性捕食，在食物链营养级中自下而上进行传递；最后氮素主要经以下三种途径输出湖泊系统 水生植物、浮游动物、底栖动物等将氮素吸收同化，经收割、捕捞后输出湖泊系统；氮素经反硝化以n2、N2o等气体形式离开湖泊系统；氮素经过沉积作用沉入底泥中固定下来。随着人类活动的影响，氮循环越来越不平衡，由此引发的水体富营养化等环境问题迫使学者们对氮素在生态系统中输入、迁移、转化、循环和输出的规律进行大量的研究。 例如，徐徽，张路等(湖泊科学，2009，太湖梅梁湾水土界面反硝化和厌氧氨氧化)利用15N 同位素配对技术研究了湖泊底泥中硝化_反硝化脱氮过程；杨竹攸，李正魁等(湖泊科学， 2009，固定化氮循环细菌修复城市湖泊水体脱氮效果及N2O排放)利用静态箱法研究了湖泊水-气界面氮迁移特征；张晓姣，李正魁等(湖泊科学，2009，固定化土著氮循环细菌在城市湖泊水体净化中的应用)利用MPN法研究了氮循环细菌；申请号CN201010533685. 8， 一种大型底栖生物和沉水植物联合调控富营养化方法；申请号CN200910053309. 6，在富营养化水域底泥层上构筑底栖微生物层的方法；申请号CN200680056888. 4，利用各种植物、微生物的水质净化机能，综合改善富营养化污染水域的水质净化系统；申请号 CN201010168350.0公开了富营养化海水网箱养殖区的综合生物修复方法。上述学者虽然对湖泊系统中氮素的迁移转化进行了大量的研究，但或只限于自然底泥生态系统，或只明确了水生植物吸收、鱼类觅食等单一过程中氮素的转化过程，均未全面包含水-沉积物界面、 水_气界面、水生植物、微生物及鱼类等全方位氮循环。因此，当综合考虑整个湖泊生态系统时，各脱氮途径间的氮素输出、转化和定量关系难以确定，从而阻碍了湖泊生态系统生态修复的研究。虽然国内外学者已对湖泊水体富营养化生态修复模拟进行了一定的研究，并研发了一系列技术，但是迄今为止，能够将原位湖泊沉积物、上覆水、沉水植物、氮循环菌等因素整合到一个系统内进行研究的实验技术方法较少。采用实验室人工模拟湖泊生态系统及野外实验，进行包括水-沉积物界面、水-气界面、沉水植物、脱氮微生物及鱼类等各方面，精确定量测量整个湖泊生态系统氮循环的方法还未见报道。因此，研究此类方法对富营养化湖泊水体治理具有积极意义。针对愈加严重的湖泊富营养化问题及现有方法难以精确模拟不同湖泊生态修复手段中氮素的循环过程。本发明提供一种精确定量测量不同湖泊生态修复手段中氮素循环的方法，可以精确定量测量湖泊生态氮循环，从而可以促进原位湖泊生态修复机理的研究。 采用该方法可以测量不同湖泊生态系统氮含量，研究氮素在水_沉积物界面的交换、水-气界面的释放及在水生植物、水生动物等构成的食物链中的迁移转化，从而精确定量氮素的循环过程，便于探讨生态修复机理。
发明内容
本发明目的是提出一种精确定量湖泊生态系统氮循环的方法，为了精确测量湖泊生态系统中的氮循环，在湖泊生态系统中，尤其是采用不同方法分别定量沉积物-水界面氮素迁移转化、水-气界面氮释放、水生植物、微生物、碎屑、鱼类等生物对氮素的同化吸收。通过将各种方法整合在一个系统中，精确定量测量氮素在整个湖泊生态系统中的循环。本发明技术方案是精确定量湖泊生态系统氮循环的方法，1)应用同位素配对方法，通过测定水中溶解性同位素气体N2含量，测量湖泊生态系统中耦合硝化_反硝化、非耦合硝化_反硝化及厌氧氨氧化过程，从而定量获得湖泊生态系统沉积物_水界面的氮素迁移转换指标；2)水-气界面氮素的释放通过密闭室_气相色谱法测定N2O产生量来确定。从而精确定量水_气界面的氮素释放量；3)采用杜马斯法测定水生植物的生物量及植物体内氮素含量，确定水生植物对氮素的吸收量将植物样品在900°C 1200°C高温下燃烧，燃烧过程中产生混合气体，其中的干扰成分被适当的吸收剂所吸收，混合气体中的氮氧化物被还原成分子氮，检测氮含量，从而明确水生植物对氮素的同化吸收量；4)同时，采用MPN法测定生态系统中微生物的生物量，测定微生物在氮素转换过程中的作用及其对氮素的转化量，即利用待测微生物的特殊生理功能的选择性，来摆脱其他微生物类群的干扰，并通过该生理功能的表现来判断该类群微生物的存在和丰度，确定氮循环菌的生物量，从而明确微生物对氮的同化吸收；5)应用稳定性同位素技术(δ 13C和δ 15N)测量水生动物对氮素的吸收同化，精确定量氮素的循环；即测量水生动物食物网及营养级结构，确定氮素在食物网中的迁移转化；同位素配对技术是将15N指示剂加入到沉积物上覆水中，15N与上覆水中原有的14N 混合并进入表层沉积物中，经过微生物的硝化、反硝化作用，生成28N2、29N2、3°Ν2。通过膜接口质谱仪测定同位素反硝化产物测定反硝化速率。同位素配对技术可以明确耦合和非耦合硝化-反硝化过程的比例和速率，同时也能明确厌氧氨氧化脱氮速率，从而精确定量沉积物_水界面氮素的迁移转化过程。由于空气中氮气本底值很高，直接测定空气中的氮气会造成很大误差，因此本发明中水_气界面氮素的释放通过密闭室_气相色谱法测定N2O产生量来确定。从而精确定量水-气界面的氮素释放量。考虑到生态系统的完整性，需对水生植物及水生动物等对氮素的同化吸收进行研究，本发明采用杜马斯法测定水生植物的生物量及植物体内氮素含量，确定水生植物对氮素的吸收量。将植物样品在900°C 1200°C高温下燃烧，燃烧过程中产生混合气体，其中的干扰成分被适当的吸收剂所吸收，混合气体中的氮氧化物被还原成分子氮，检测氮含量，从而明确水生植物对氮素的同化吸收量。同时，采用MPN法测定生态系统中微生物的生物量， 测定微生物在氮素转换过程中的作用及其对氮素的转化量，即利用待测微生物的特殊生理功能的选择性，来摆脱其他微生物类群的干扰，并通过该生理功能的表现来判断该类群微生物的存在和丰度，确定氮循环菌的生物量，从而明确微生物对氮的同化吸收。此外，应用稳定性同位素技术(S 13C和δ 15N)构建湖泊生态系统的食物网结构和营养级关系，研究鱼类等水生动物对氮素的吸收同化，精确定量氮素的循环。本发明中上述过程均在同一模拟生态系统中进行。通过上述方法的整合，在同一装置中精确模拟湖泊生态系统中氮素在沉积物，水体、空气及水生动植物之间的迁移转化。通过上述方法的整合，在同一装置中精确模拟湖泊生态系统中氮素在沉积物，水体、空气及水生动植物之间的迁移转化。综合考虑所有氮素转化途径时，氮素变化理想方程式如下
权利要求
1.精确定量湖泊生态系统氮循环的方法，其特征是步骤如下1)应用同位素配对方法，通过测定水中溶解性同位素气体N2含量，测量湖泊生态系统中耦合硝化_反硝化、非耦合硝化_反硝化及厌氧氨氧化过程，从而定量获得湖泊生态系统沉积物_水界面的氮素迁移转换指标；2)水-气界面氮素的释放通过密闭室_气相色谱法测定N2O产生量来确定。从而精确定量水_气界面的氮素释放量；3)采用杜马斯法测定水生植物的生物量及植物体内氮素含量，确定水生植物对氮素的吸收量将植物样品在900°C 1200°C高温下燃烧，燃烧过程中产生混合气体，其中的干扰成分被适当的吸收剂所吸收，混合气体中的氮氧化物被还原成分子氮，检测氮含量，从而明确水生植物对氮素的同化吸收量；4)同时，采用MPN法测定生态系统中微生物的生物量，测定微生物在氮素转换过程中的作用及其对氮素的转化量，即利用待测微生物的特殊生理功能的选择性，来摆脱其他微生物类群的干扰，并通过该生理功能的表现来判断该类群微生物的存在和丰度，确定氮循环菌的生物量，从而明确微生物对氮的同化吸收；5)应用稳定性同位素技术(δ13C和δ 15N)测量水生动物对氮素的吸收同化，精确定量氮素的循环；即测量水生动物食物网及营养级结构，确定氮素在食物网中的迁移转化；上述过程均在同一模拟生态系统中进行，即在同一装置中精确模拟湖泊生态系统中氮素在沉积物，水体、空气及水生动植物之间的迁移转化；综合考虑所有氮素转化途径时，氮素变化方程式如下
2.根据权利要求1所述的精确定量湖泊生态系统氮循环的方法，其特征是步骤1)中所述同位素配对技术测定测量湖泊生态系统中耦合硝化_反硝化，将适量15N标记的指示剂添加到上覆水中，经一段时间的密闭培养，采集水样，运用同位素质谱仪测定水样中的溶解性同位素N2，确定反硝化通量，从而定量沉积物_水界面的氮素迁移转化量。
3.根据权利要求1所述的精确定量湖泊生态系统氮循环的方法，其特征是步骤2)静态箱_气相色谱法测定氮素释放量，在湖泊系统上部设置气体收集室，密闭培养，通过真空瓶收集气体，经气相色谱测定N2O的含量定量水-气界面的氮素释放量。
4.根据权利要求1所述的精确定量湖泊生态系统氮循环的方法，其特征是步骤4)MPN 法测定微生物生物量分别配制氮循环细菌的选择培养基，接种水样进行培养，根据不同的指示剂反应各种氮循环菌(氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌)，查MPN表确定细菌的数量，确定氮循环菌的生物量，检测对应于不同MPN条件下，水体中被转化的氮含量。
全文摘要
精确定量湖泊生态系统氮循环的方法，1)应用同位素配对方法，定量研究湖泊生态系统沉积物-水界面的氮素迁移转换；2)水-气界面氮素的释放通过密闭室-气相色谱法测定N2O产生量来确定。从而精确定量水-气界面的氮素释放量；3)采用杜马斯法测定水生植物的生物量及植物体内氮素含量，确定水生植物对氮素的吸收量4)采用MPN法测定生态系统中微生物的生物量，测定微生物在氮素转换过程中的作用及其对氮素的转化量，5)应用稳定性同位素技术测量水生动物对氮素的吸收同化，精确定量氮素的循环；即测量水生动物食物网及营养级结构，确定氮素在食物网中的迁移转化；上述过程均在同一模拟生态系统中进行。
文档编号G01N33/18GK102507913SQ20111038358
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月26日 优先权日2011年11月26日
发明者刘丹丹, 华蓉, 叶忠香, 吴宁梅, 周涛, 李正魁, 王易超, 赵琳 申请人:南京大学