一种模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的装置及方法与流程

本发明涉及环境科学与工程领域，具体为一种模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的装置及方法。

背景技术：

随着人类对自然干预的加强，越来越多的氮通过农田施肥、化石燃料燃烧、畜禽养殖排污等人类活动的方式进入到自然环境中，加大了生态系统的氮负荷。其中会有相当一部分的氮通过地表径流、下渗、大气沉降等方式进入水体中。过多的氮元素容易引发氮污染，从而导致水体富营养化等环境问题。河流是一个丰富的氮资源宝库，同时也是发生氮转化的重要场所，对生态系统中氮的合理分配与调节做出了巨大贡献。以往的研究表明，河流沉积物是发生氮转化的主要地区；然而当前越来越多的研究发现，河流上覆水体中的悬浮颗粒也是发生氮转化的重要地点，如果不考虑悬浮颗粒上脱氮作用对氮转化的贡献，则河流在全球氮排放的贡献将会被低估。因此，关于悬浮颗粒对河流中的氮转化的影响需要深入地研究。

经检索，文献“liu，ting，eta1.″accelerationofdenitrificationinturbidriversduetodenitrificationoccurringonsuspendedsedimentinoxicwaters.″environmentalscience&tech-nology47.9(2013)：4053-4061.”中提到一种模拟装置，虽然该装置通过外接搅拌器搅拌水体使悬浮颗粒保持悬浮态，但装置过于简单，无法解决在实验过程中装置顶部氮气(n2)和一氧化二氮(n2o)的逸散问题，影响实验结果。该文献中未提及在实验过程中与实验相关的水体各项指标如溶解氧(do)、氧化还原电位(orp)、ph、电导率(conductivity)、水温的监测步骤以及气体、水样品收集的操作顺序，因此实验过程不明确。

为了在实验室中能够真实地还原天然河流中水-悬浮颗粒-沉积物的环境条件，解决实验过程中装置的密封性问题，同时方便氮转化产物的收集和水体各项指标的测定，有必要研发出一套能够形成水-悬浮颗粒-沉积物微宇宙体系的自然河流模拟装置；且该装置构建完成后能够通过特定的操作步骤收集装置内的样品，监测水体的相关指标，以获得较为准确的实验结果。

技术实现要素：

要解决的问题

针对在河流微宇宙体系氮转化模拟实验中，装置气密性不足、实验产物难以收集的问题，本发明提出一种模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的装置及方法，该发明首先采用一种特定的实验装置模拟自然河流的运动状态，使微生物在体系内进行氮转化，然后利用一定的操作步骤进行模拟实验、监测水中各项指标，并收集体系中产物，以达到较为真实的模拟效果，提高实验的准确性。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案。

第一方面，本发明实施例提供一种研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化作用的模拟装置，所述装置用于执行第二方面的方法，所述装置包括顶部的控制盖(高15.0-20.0cm，内径40.0-60.0cm，壁厚0.5-2.0cm，内径∶高＝3∶1)和底部的容器(内径12.0-40.0cm，容器内径小于控制盖内径，高16.0-53.0cm，内径∶高＝3∶4，容积1.8-67.0l壁厚0.5-2.0cm)。

所述控制盖内部左右两侧装有小型电动机，所述电动机下方有支撑体(立方体，长宽高视实际情况而定)，用于保证电动机的运行高度，所述电动机连接传动齿轮，所述电动机上方连接电线。

所述控制盖内中部设有空心搅拌桨，所述搅拌桨上部(内径6.0-10.0mm，外径比内径大2.0-4.0mm)有圆盘状的翼(直径1.8-3.0cm，翼相对搅拌桨上部的位置视具体情况而定)，所述翼与搅拌桨上部为一体且被其体积稍大的圆柱形隔间(内径6.0-10.0cm，高4.0-8.0cm，壁厚0.5-1.0cm)包围，所述隔间底部有小孔(孔径比搅拌桨上部的外径大1.0-2.0mm)，可使搅拌桨上部穿过，所述隔间底部上方含有圆环形橡胶垫片(内径比搅拌桨上部的外径大1.0-2.0mm，外径比翼大4.0-6.0mm)，橡胶垫片上涂有润滑油，可减少所述翼与所述隔间底部之间的摩擦，所述垫片被环形固定槽一(内径与橡胶垫片外径同大小，外径比内径大0.5-1.0cm)固定，所述隔间顶部设有开口(直径4.0-8.0cm)和塑料盖，可随时打开并去除或放入隔间内的搅拌桨上部；所述搅拌桨中上部与齿轮(直齿锥齿轮，齿轮具体位置视具体情况而定)固定，所述齿轮连接所述电动机齿轮(直齿锥齿轮)从而达到传导动力(两轮轴线正交于锥顶点)的作用，所述搅拌桨中部通过弹簧式卡锁与内径稍大的搅拌桨下部(内径比搅拌桨上部外径大0.1-0.6mm，外径比内径大3.0-6.0mm)相接，卡孔的数量和位置视实际情况而定，便于灵活调节搅拌桨的长度。

所述控制盖内部下侧设有小孔(孔径比搅拌桨上部外径大1.0-2.0mm)，可使搅拌桨上部穿过，所述小孔上方设有轴封(内径与搅拌桨上部外径同大小，外径比内径大2.0-5.0cm)，可防止下部气体逸散至控制盖，所述轴封周围设有环形固定槽二(内径与轴封外径同大小，外径比内径大0.5-1.0cm)用于固定轴封；所述控制盖外部下侧有环形氙灯光照设备，用来模拟光照条件。所述控制盖外部下侧有外螺纹，所述螺纹与设有内螺纹的容器连接。

所述控制盖外部上左侧具有控制板，所述控制板可以调节电动机转速、氙灯光照强度以及接通外部电源。

所述容器左右两侧分别设辅助孔一(孔径2.0-3.0cm，孔的管道中轴线与容器内壁的交点位于容器高度的55％-65％处)和辅助孔二(孔径0.5-1.0cm，孔的管道中轴线与容器内壁的交点位于容器高度的75％-85％处)，所述辅助孔一为位置稍低的向内向下的倾斜孔(孔的管道中轴线与容器内壁的夹角为40-50°)，方便水质测量仪器的电极头插入，还可方便取样管伸入；辅助孔二为位置稍高的向内的水平孔，方便收集容器内的气体样品。在装置运行的过程中，辅助孔一用橡胶塞封死，辅助孔二用三通阀连接并保持关闭，待实验结束后可取样并检测水中的相关指标。

所述容器底部有支撑底座(直径为顶部控制盖内径的70％-90％，高度为1.0-5.0cm)，所述支撑底座与容器为一体，用来增加装置在运行过程中的稳定性。

第二方面，本发明涉及一种模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物模拟体系研究水体中氮转化的方法，所述方法的步骤如下：

(1)准备多个装置，实验开始前，打开控制盖上方的塑料盖，检查隔间内搅拌桨上部的翼是否置于橡胶垫片上，检查橡胶垫片是否位于固定槽一内，确认正常后，打开控制盖和辅助孔一、二，向不同的容器内分别加入沉积物、悬浮颗粒与河水样品(或模拟河水以降低实际河水样品中¹⁴no3^--n和¹⁴nh4⁺-n对氮同位素示踪的影响)构建水-悬浮颗粒-沉积物体系。另外，也可以只加悬浮颗粒与河水样品(或模拟河水以降低实际河水样品中¹⁴no3^--n和¹⁴nh4⁺-n对氮同位素示踪的影响)构建不含沉积物的水-悬浮颗粒体系。同时保证所有容器内的水为一定体积，水面高度不得淹没两个辅助孔，调整好搅拌桨距容器底部的距离，确保其能够均匀地搅拌水体；

(2)对于水-悬浮颗粒-沉积物体系，加入定量¹⁵nh4⁺-n(¹⁵nh4cl，99.0atm％¹⁵n)来研究体系耦合硝化反硝化作用，通过分析³⁰n2产物研究耦合硝化反硝化速率；

(3)对于水-悬浮颗粒体系，加入定量烯丙基硫脲(atu)来抑制体系中硝化作用的活性，同时向体系中加入定量的¹⁴nh4⁺-n(¹⁴nh4cl，99.0atm％¹⁴n)，¹⁵no3^--n(¹⁵kno3，99.0atm％¹⁵n)和¹⁵no2^--n(¹⁵kno2，99.0atm％¹⁵n)来研究体系中的反硝化和厌氧氨氧化作用，反硝化过程会生成³⁰n2o和³⁰n2产物，而厌氧氨氧化过程会生成²⁹n2产物；

(4)步骤(2)或(3)完成后，旋紧控制盖，将ph、溶解氧(do)、氧化还原电位(orp)、电导率(conductivity)探头依次通过辅助孔一放入水体中测量水中的ph、do、orp、电导率和温度后用橡胶塞将辅助孔一封死，关闭辅助孔二，确保容器密封后接通控制板处的电源来启动电动机。对于水-悬浮颗粒体系，须调节电动机的转速使容器内的悬浮颗粒保持悬浮态；对于水-悬浮颗粒-沉积物体系，须通过调整转速以控制悬浮颗粒的浓度。必要时可以通过氙灯调节不同的光照强度模拟自然光不同光照度下的照射；

(5)每隔一定时间需要从装置内部取样并向其中充氧。首先关闭电源，打开辅助孔二的三通阀，收集容器内的气体；收集完气体后三通阀保持开启，打开辅助孔一收集容器内水样；待水样收集完毕后，将监测探头依次通过该孔放入水中，测量水中的ph、do、orp、电导率和温度；测量完毕后，利用小型充氧装置通过辅助孔一向体系内充氧；

(6)步骤(5)完成后，将辅助孔一和二关闭，开启电动机进行下一阶段的实验；

(7)实验结束后，通过步骤(5)收集最后一组气体和水样品，打开控制盖，利用过滤装置收集水中的悬浮颗粒，同时可采集沉积物样品。

有益效果

相比于现有文献描述的方法，本发明的有益效果为：

(1)本发明装置具有很好的气密性。容器与控制盖通过螺纹相连，形成一个密封的整体；实验过程中容器上的辅助孔一通过橡胶塞封死，辅助孔二接合三通阀在装置运行过程中保持关闭；控制盖底部利用轴封与搅拌桨上部紧密结合，因此在装置运行时，体系内实验产物n2和n2o不易逸散，从而使实验结果更加准确。

(2)本发明装置在实验过程中易于收集其内部的气体和水样品，并监测水体各项指标。倾斜的辅助孔一便于监测探头和取样管的伸入来监测水环境指标和收集水样；水平的辅助孔二用于收集气体样品。

(3)本发明方法可以根据水体监测值随时补充溶解氧保证水相处于好氧条件，以模拟实际河流上覆水体的好氧状态。本方法可随时监测溶解氧(do)浓度，一旦发现其浓度低于采样区域河流中上覆水体的do值，可立即向装置中充氧。

(4)本发明还可研究不同光照条件下水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化影响。通过控制氙灯的光照强度模拟不同自然光照射下的河流运动，用于研究悬浮颗粒中的光催化现象对河流体系氮转化的影响。

(5)本发明装置除研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系下的耦合硝化反硝化过程，河流水-悬浮颗粒体系下的反硝化和厌氧氨氧化过程外，还可以通过向体系中添加不同的组分研究河流水-悬浮颗粒-沉积物或水-悬浮颗粒体系下的其他氮转化过程及碳转化过程。

附图说明

图1为本发明装置的内部剖示图；

图2为控制盖的底视图；

图中：1、搅拌桨；2、卡锁；3、辅助孔二；4、三通阀；5、内螺纹；6、支撑体；7、电动机；8、隔间；9、塑料盖；10、翼；11、橡胶垫片；12、固定槽一；13、控制板；14、电线连接件；15、伞齿齿轮；16、外螺纹；17、环形氙灯；18、固定槽二；19、橡胶塞；20、辅助孔一；21、轴封；22、支撑底座；23、控制盖；24、小孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，本处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，而不用于限定本发明。

在本发明中，一种模拟河流水-悬浮颗粒-沉积物体系的装置，所述装置具体包括顶部的控制盖，所述控制盖内部左右两侧装有小型电动机，所述电动机下方有支撑体，所述电动机连接传动齿轮，所述控制盖内部中侧设有空心搅拌桨，所述搅拌桨上部有圆盘状的翼，所述翼与搅拌桨为一体且被其体积稍大的圆柱形隔间包围，所述隔间底部留有小孔，可使搅拌桨上部穿过，所述隔间底部上方含有圆环形橡胶垫片，所述垫片被环形固定槽一固定，所述隔间顶部设有开口和塑料盖，所述搅拌桨中上部与齿轮相固定，所述齿轮连接所述电动机齿轮，所述搅拌桨中部通过弹簧式卡锁与内径稍大的搅拌桨下部相接，所述卡槽设有多个，可调节搅拌桨的长度，所述控制盖内部下侧设有小孔，可使搅拌桨穿过，所述小孔上方设有轴封，所述轴封周围设有环形固定槽二，所述控制盖外部下侧有环形氙灯光照设备，所述控制盖外部下侧有外螺纹，所述螺纹下方与设有内螺纹的容器连接。所述控制盖外部上左侧具有控制板，所述控制板可以调节电动机转速、氙灯光照强度以及接通外部电源。

所述的模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的装置中，所述控制盖内部下侧小孔的孔径比搅拌桨上部外径大1.0-2.0mm，所述小孔上方有轴封，内径与搅拌桨上部外径同大小，外径比内径大2.0-5.0cm，所述轴封被环形固定槽二固定，内径与轴封外径同大小，外径比内径大0.5-1.0cm，该固定槽顶部由周围向中心突起的部分不计入在内。

所述容器左右两侧分别设辅助孔一和辅助孔二，所述辅助孔一为位置稍低的向内向下的倾斜孔，所述辅助孔二为位置稍高的向内的水平孔。具体参数为，辅助孔一孔径2.0-3.0cm，孔的管道中轴线与容器内壁的交点位于容器高度的55％-65％处；辅助孔二孔径0.5-1.0cm，孔的管道中轴线与容器内壁的交点位于容器高度的75％-85％处；辅助孔一的孔的管道中轴线与容器内壁的夹角为40-50°。

“辅助孔一的管道中轴线与容器内壁的交点位于容器高度的55％-65％处；辅助孔二的管道中轴线与容器内壁的交点位于容器高度的75％-85％处；辅助孔一的孔的管道中轴线与容器内壁的夹角为40-50°”会对技术效果有影响。

在本发明中，水面高度不得淹没两个辅助孔，所以两个辅助孔设定的高度限定了向容器内加入水的体积，如果辅助孔设定的高度太低，则会导致向容器内加入的水的体积不足，导致产生气体的含量过低，影响实验效果。另外如果辅助孔一的管道中轴线与容器内壁的夹角过大或过小，则不方便放入监测探头及取样管。

在本发明中，所述小孔上方有轴封，内径与搅拌桨上部外径同大小，所述轴封被环形固定槽二固定，内径(该固定槽顶部由周围向中心突起的部分不计入在内)与轴封外径同大小。由此，该装置须保证“搅拌桨-轴封-固定槽”紧密贴合，否则在实验过程中气体会通过此处逸出至控制盖，造成样品中收集到的²⁹n2、³⁰n2和³⁰n2o含量较实际产生的气体含量低，影响实验结果。

本发明中，模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的方法包括如下步骤：

(1)准备多个装置，实验开始前，打开控制盖上方的塑料盖，检查隔间内搅拌桨上部的翼是否置于橡胶垫片上，检查橡胶垫片是否位于固定槽一内，确认正常后，打开控制盖和辅助孔一、二，向不同的容器内分别加入沉积物、悬浮颗粒与河水样品(或模拟河水)构建水-悬浮颗粒-沉积物体系。

另外，也可以只加悬浮颗粒与河水样品(或模拟河水)构建不含沉积物的水-悬浮颗粒体系。同时保证所有容器内的水为一定体积，水面高度不得淹没两个辅助孔，调整好搅拌桨与容器底部之间距离，确保其能够均匀地搅拌水体。所述模拟河水用来降低实际河水样品中¹⁴no3^--n和¹⁴nh4⁺-n对氮同位素示踪的影响。

(2)对于水-悬浮颗粒-沉积物体系，加入定量¹⁵nh4⁺-n(¹⁵nh4cl，99.0atm％¹⁵n)来研究体系耦合硝化反硝化作用，通过分析³⁰n2产物研究耦合硝化反硝化速率；

(3)对于水-悬浮颗粒体系，加入定量烯丙基硫脲(atu)来抑制体系中硝化作用的活性，同时向体系中加入定量的¹⁴nh4⁺-n(¹⁴nh4cl，99.0atm％¹⁴n)，¹⁵no3^--n(¹⁵kno3，99.0atm％¹⁵n)和¹⁵no2^--n(¹⁵kno2，99.0atm％¹⁵n)来研究体系中的反硝化和厌氧氨氧化作用，反硝化过程会生成³⁰n2o和³⁰n2产物，而厌氧氨氧化过程会生成²⁹n2产物；

(4)步骤(2)或(3)完成后，旋紧控制盖，将ph、溶解氧(do)、氧化还原电位(orp)、电导率(conductivity)探头依次通过辅助孔一放入水体中测量水中的ph、do、orp、电导率和温度后用橡胶塞将辅助孔一封死，关闭辅助孔二，确保容器密封后接通控制板处的电源来启动电动机。对于水-悬浮颗粒体系，须调节电动机的转速使容器内的悬浮颗粒保持悬浮态；对于水-悬浮颗粒-沉积物体系，须通过调整转速以控制悬浮颗粒的浓度。必要时可以通过氙灯调节不同的光照强度模拟自然光不同光照度下的照射；

(5)每隔一定时间需要从装置内部取样并向其中充氧。首先关闭电源，打开辅助孔二的三通阀，收集容器内的气体；收集完气体后三通阀保持开启，打开辅助孔一收集容器内水样；待水样收集完毕后，将监测探头依次通过该孔放入水中，测量水中的ph、do、orp、电导率和温度；测量完毕后，利用小型充氧装置通过辅助孔一向体系内充氧；

(6)步骤(5)完成后，将辅助孔一和二关闭，开启电动机进行下一阶段的实验；

(7)实验结束后，通过步骤(5)收集最后一组气体和水样品，打开控制盖，利用过滤装置收集水中的悬浮颗粒，同时可采集沉积物样品。本发明所述的一种模拟研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化的装置与方法，该装置能保证体系处于密闭状态，氮转化过程中产生的气体不会逸散；能对容器中的水相、悬浮颗粒相及气相连续取样；还能随时监测水体各项指标，如ph、溶解氧(do)、氧化还原电位(orp)、电导率(conductivity)和温度；且根据监测值随时补充溶解氧保证水相处于好氧条件，以模拟实际河流上覆水体的好氧状态。

实施例1：模拟并研究河流上覆水体中，悬浮颗粒浓度对耦合硝化反硝化作用的影响。

从长江中游的万州水文站、铁机路码头；黄河龙门、花园口、艾山水文站采集水、沉积物样品。水样于水面下0.2m处采集，并用抓取式采样器采集0-10cm深的河床沉积物后置于无菌塑料袋中。同时现场测量河水的ph、溶解氧(do)、氧化还原电位(orp)、电导率(conductivity)和温度。所有的样品低温保存，并在采样结束后送往实验室进一步分析。

具体的处理步骤如下：

(1)打开控制盖23上方的塑料盖9，检查隔间内搅拌桨1上部的翼10是否置于橡胶垫片11上，检查橡胶垫片11是否位于固定槽一12内。确认正常后打开控制盖23、辅助孔一20和辅助孔二3，向6组容器中加入10cm厚的沉积物样品、800ml模拟河水以及5mgl^-1的¹⁵nh4⁺-n(¹⁵nh4cl，99.0atm％¹⁵n)，每组实验一式三份。通过卡锁2调节搅拌桨与容器底部之间的距离，确保在不触碰沉积物的同时能够很好地搅拌水体。

(2)旋紧控制盖23，将ph、do、orp、电导率探头依次通过辅助孔一20放入水体中测量水中的ph、do、orp、电导率和温度后用橡胶塞19将辅助孔一20封死，辅助孔二3保持关闭，确保容器密封后接通控制板13处的电源来启动电动机7。实验在25℃的室温下进行。

(3)在步骤(1)构建的6组体系中，通过控制电动机的转速调节搅拌桨扰动产生的悬浮颗粒的浓度。每组分别在700、550、400、200、150和0rpm转速下形成20、15、8、2.5、1和0gl^-1悬浮颗粒浓度的实验体系，用于模拟不同含沙量的真实河流。

(4)每隔1天采集装置内样品并充氧(共采集16次)。首先关闭控制板13所连接的电源，打开辅助孔二3的三通阀4，通过注射器收集约容器内的气体，收集完气体后三通阀4保持开启，并打开辅助孔一20，收集容器内的水样，收集完后用0.45μm针孔过滤器过滤并置于-20℃的环境中保存。待水样收集完毕后，将监测探头依次通过该孔放入水中，测量水中的ph、do、orp、电导率和温度。测量完毕后，利用小型充氧装置通过辅助孔一20向容器内充氧。

(5)步骤(4)完成后，将辅助孔一20和辅助孔二3关闭，开启电动机7进行下一阶段的实验。

(6)实验结束后，通过步骤(4)收集最后一组体系中的气体、水样品，打开控制盖23，利用0.45μm滤膜过滤并收集水中的悬浮颗粒样品，悬浮颗粒样品收集完后倾倒容器收集沉积物样品。测定所收集气样中³⁰n2的含量以及水相中no3^--n、no2^--n和nh4⁺-n的含量，进而计算体系³⁰n2的产生速率，并分析体系中no3^--n、no2^--n和nh4⁺-n随时间的变化规律。同时还可以分析沉积物和悬浮颗粒中微生物的数量等。

表1实施例1运行结果(培养时间为31d)

实施例2：模拟并研究河流上覆水体中，不同粒径大小的悬浮颗粒对反硝化和厌氧氨氧化作用的影响。

从长江中游的万州水文站采集水、沉积物样品。水样于水面下0.2m处采集，并用抓取式采样器采集0-5cm深的河床沉积物后置于无菌塑料袋中。同时现场测量河水的ph、溶解氧(do)、氧化还原电位(orp)、电导率(conductivity)和温度。所有的样品低温保存，并在采样结束后送往实验室进一步分析。经调查得知，河水中的悬浮颗粒的粒径小于200μm，因此采用湿式筛分法将一部分沉积物样品按照粒径大小分成＜20μm、20-63um、63-100μm、100-200μm，共4组。为了避免在接下来的实验中因¹⁴no3^-产生²⁹n2干扰实验结果，采用mili-q产生的超纯水湿筛。将另一部分的沉积物样品通过200μm过滤器湿式筛分，该部分得到的悬浮颗粒为原始悬浮颗粒(＜200μm)。对得到的5组沉积物粒径进行含水量的测定，湿式筛分的水通过0.45μm滤膜过滤，收集后将会以湿式筛分水∶超纯水＝1∶79的比例配制成模拟河水。

具体的处理步骤如下：

(1)打开控制盖23上方的塑料盖9，检查隔间内搅拌桨1上部的翼10是否置于橡胶垫片11上，检查橡胶垫片11是否位于固定槽一12内。确认正常后打开控制盖23、辅助孔一20和辅助孔二3，向15个容器内分别加入0.8g不同粒径组(＜20μm、20-63μm、63-100μm、100-200μm、＜200μm的原始悬浮颗粒样品，一式三份，共5组)的悬浮颗粒(干重)与800ml模拟河水，使得体系内悬浮颗粒的浓度为1.0gl^-1。由于体系内溶解性有机碳含量小于0.2mg-cl^-1，因此需要加入葡萄糖模拟生物可降解的有机碳作为电子供体，从而促进河水中悬浮泥沙反硝化作用的发生。根据长江水体中溶解的有机碳浓度，共添加5mg-cl^-1葡萄糖。另设两组对照组，其他条件不变，一组只加入800ml模拟河水，构建含有细菌但不含悬浮颗粒的反应体系；另一组做无菌处理，加入0.8g，63-100μm的悬浮颗粒(经121℃，30min灭菌)、800ml的超纯水以及50％w/v的zncl2以抑制微生物活性。通过卡锁2调节搅拌桨与容器底部之间的距离，确保能够很好地搅拌水体。

(2)向步骤(1)构建的不同体系中加入150mgl^-1烯丙基硫脲(atu)用来抑制体系中硝化作用的活性，从而方便观察反硝化与厌氧氨氧化作用。

(3)向步骤(1)构建的不同体系中加入2mgl^-1的¹⁴nh4⁺-n(¹⁴nh4cl，99.0atm％¹⁴n)，2mgl^-1的¹⁵no3^--n(¹⁵kno3，99.0atm％¹⁵n)和1mgl^-1的¹⁵no2^--n(¹⁵kno2，99.0atm％¹⁵n)来研究体系中的反硝化和厌氧氨氧化过程，反硝化过程会生成³⁰n2o和³⁰n2产物，而厌氧氨氧化过程会生成²⁹n2产物。

(4)旋紧控制盖23，将ph、do、orp、电导率探头依次通过辅助孔一20放入水体中测量水中的ph、do、orp、电导率和温度后用橡胶塞19将辅助孔一20封死，辅助孔二3保持关闭，确保容器密封后接通控制板13处的电源来启动电动机7，调节电动机7的转速(180rpm)使容器内的悬浮颗粒保持悬浮。实验在18℃，即长江水的年平均温度下进行。

(5)每隔3天采集装置内样品并充氧(共采集5次)。首先关闭控制板13所连接的电源，打开辅助孔二3的三通阀4，通过注射器收集约200ml容器内的气体，收集完气体后三通阀4保持开启，并打开辅助孔一20，收集4ml容器内的水样，收集完后用0.45μm针孔过滤器过滤并置于-20℃的环境中保存。待水样收集完毕后，将监测探头依次通过该孔放入水中，测量水中的ph、do、orp、电导率和温度。测量完毕后，利用小型充氧装置通过辅助孔一20向容器内充氧。

(6)步骤(5)完成后，将辅助孔一20和辅助孔二3关闭，开启电动机7进行下一阶段的实验。

(7)实验结束后，通过步骤(5)收集最后一组体系中的气体、水样品，打开控制盖23，利用0.45μm滤膜过滤并收集水中的悬浮颗粒样品。测定所收集气样中²⁹n2、³⁰n2和³⁰n2o的含量以及水相中no3^--n、no2^--n和nh4⁺-n的含量，进而计算体系²⁹n2、³⁰n2和³⁰n2o的产生速率，并分析体系中no3^--n、no2^--n和nh4⁺-n随时间的变化规律。同时还可以分析沉积物和悬浮颗粒物微生物的数量等。

表2实施例2运行结果(培养时间为20d)

对比例1

按照实施例2的方法进行模拟并研究河流上覆水体中，不同粒径大小的悬浮颗粒对反硝化和厌氧氨氧化作用的影响，其中不同的是以下步骤5、6，除此之外相同。

(5)每隔3天采集装置内样品并充氧(共采集5次)。不关闭控制板13所连接的电源，打开辅助孔一20，收集4ml容器内的水样，收集完后用0.45μm针孔过滤器过滤并置于-20℃的环境中保存。待水样收集完毕后，辅助孔一20保持开启，打开辅助孔二3的三通阀4，通过注射器收集约200ml容器内的气体，收集完气体后三通阀4保持开启。待气样收集完毕后，将监测探头依次通过辅助孔一20放入水中，测量水中的ph、溶解氧(do)、氧化还原电位(orp)、电导率(conductivity)和温度。测量完毕后，利用小型充氧装置通过辅助孔一20向容器内充氧。

(6)步骤(5)完成后，将辅助孔一20和辅助孔二3关闭，直接进行下一阶段的实验。

按照对比例1的方法进行模拟并研究河流上覆水体中，存在如下问题：

1.在收集样品和监测水体各项指标的过程中，如果不关闭电源，则电动机会带动搅拌浆转动，造成样品收集和水质监测的不便，甚至可能引发安全问题。在收集水样和曝气充氧的过程中，需要将软塑料取样管通过辅助孔一20伸入水中；在收集完气体和水样品后需要将监测探头通过辅助孔一20伸入水中。如果搅拌桨保持转动，那么处于旋转状态的搅拌桨可能会击打取样管和监测探头，损害实验仪器或设备，甚至可能会导致实验设备的零部件脱落，引发安全事故。

2.如果在样品收集时，先收集水样，后收集气样，则在收集水样的过程中，由于伸入的取样管的外径需要小于辅助孔一20的孔径，容器内的气体会通过辅助孔一20与大气的气体发生交换，即导致容器中²⁹n2、³⁰n2和³⁰n2o气体逸出，影响后期的实验结果。

对比例2

按照实施例2的方法进行模拟并研究河流上覆水体中，不同粒径大小的悬浮颗粒对反硝化和厌氧氨氧化作用的影响，其中不同的是以下步骤5，除此之外相同。

(5)每隔3天采集装置内样品并充氧(共采集5次)。首先关闭控制板13所连接的电源，打开辅助孔二3的三通阀4，通过注射器收集约200ml容器内的气体，收集完气体后三通阀4保持开启，并打开辅助孔一20，收集4ml容器内的水样，收集完后用0.45μm针孔过滤器过滤并置于-20℃的环境中保存。待水样收集完毕后，利用小型充氧装置通过辅助孔一20向容器内充氧。最后将监测探头依次通过该孔放入水中，测量水中的ph、溶解氧(do)、氧化还原电位(orp)、电导率(conductivity)和温度。

按照对比例2的方法进行模拟并研究河流上覆水体中，存在如下问题：

1.曝气充氧会让容器内的气体与大气进行气体交换，监测水质的目的是观察容器内与氮转化实验相关的水体各项指标是否在采样区域河水相对应的指标的波动范围内，如果是则可以继续进行实验，如果不是则需要终止实验或调整实验条件继续实验。如果在样品收集时，先曝气充氧，后监测水质，则在充氧阶段容器内水中的do浓度会发生变化，造成监测指标的不准确，导致不能准确地判断容器内的水质情况是否允许实验继续进行。

本发明的有益效果为：

(1)本发明装置具有很好的气密性。容器与控制盖通过螺纹相连，形成一个密封的整体；实验过程中容器上的辅助孔一通过橡胶塞封死，辅助孔二接合三通阀在装置运行过程中保持关闭；控制盖底部利用轴封与搅拌桨上部紧密结合，因此在装置运行时，体系内实验产物n2和n2o不易逸散，从而使实验结果更加准确。

(2)本发明装置在实验过程中易于收集其内部的气体和水样品，并监测水体各项指标。倾斜的辅助孔一便于监测探头和取样管的伸入来监测水环境指标和收集水样；水平的辅助孔二用于收集气体样品。

(3)本发明方法可以根据水体监测值随时补充溶解氧保证水相处于好氧条件，以模拟实际河流上覆水体的好氧状态。本方法可随时监测溶解氧(do)浓度，一旦发现其浓度低于采样区域河流中上覆水体的do值，可立即向装置中充氧。

(4)本发明还可研究不同光照条件下水-悬浮颗粒-沉积物体系氮转化影响。通过控制氙灯的光照强度模拟不同自然光照射下的河流运动，用于研究悬浮颗粒中的光催化现象对河流体系氮转化的影响。

(5)本发明装置除研究河流水-悬浮颗粒-沉积物体系下的耦合硝化反硝化过程，河流水-悬浮颗粒体系下的反硝化和厌氧氨氧化过程外，还可以通过向体系中添加不同的组分研究河流水-悬浮颗粒-沉积物或水-悬浮颗粒体系下的其他氮转化过程及碳转化过程。