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揭秘水體 N?O 排放之謎 —— 新一代 PI5131-i N?O 同位素分析儀,助力 N?O 排放機制研究

時間:2025/5/19閱讀:174
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揭秘水體 N?O 排放之謎 —— 新一代 PI5131-i N?O 同位素分析儀,,助力 N?O 排放機制研究
  背景介紹


N2是僅次于 CO2 和 CH4 的第三重要溫室氣體,,其在大氣中的含量雖低于前兩者,卻有著極強的增溫潛勢,,約為 CO2 的 300 倍,,對全球氣候變化的影響不容小覷。水體作為 N2排放的關(guān)鍵源區(qū),,無論是自然水體(如,,海洋、湖泊,、河流等),,還是有人為干預(yù)的水體(如,水庫,、養(yǎng)殖塘,、污水處理廠等),均是 N2排放的熱點區(qū)域(圖 1),。不同水體由于其含氧量及氮素含量的差異,,從而導致目前對于水體 N2O 排放的估算存在比較大的不確定性。準確的 N2O 濃度和同位素觀測數(shù)據(jù),有助于準確量化水體 N2O 的排放,,加深對于  N2O 排放機制的認識,,從而促進對于全球氮循環(huán)的研究,以及全球溫室氣體減排策略的制定,。上篇公眾號文章 中我們介紹了 Picarro N2同位素分析儀在土壤 N2O 排放中的應(yīng)用,,本文將重點介紹 Picarro N2O 同位素分析儀在水體  N2O 排放監(jiān)測中的應(yīng)用。


揭秘水體 N?O 排放之謎 —— 新一代 PI5131-i N?O 同位素分析儀,,助力 N?O 排放機制研究

圖 1 - 全球湖泊和水庫 N2O 排放核算圖


揭秘水體 N?O 排放之謎 —— 新一代 PI5131-i N?O 同位素分析儀,,助力 N?O 排放機制研究
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  應(yīng)用介紹



Erler et al., (2015) 將 Picarro G5101-i N2O 同位素分析儀與水氣平衡裝置結(jié)合,,實現(xiàn)了對于水中溶解 N2O 濃度和同位素(δ15N-N2O)的連續(xù)在線原位觀測,。為了應(yīng)對水中溶解的其他氣體可能對于 N2O 濃度及同位素測量的干擾,Erler 在氣體進入分析儀前對氣體進行了一些列的處理,,分別采用  AscariteTM Pt 和 Cu 來移除 CO2 ,、CO 和 H2S。并通過一系列實驗,,定量了 O2,、CH4 和 N2O 濃度對 δ15N-N2O 測量的影響,并建立了相應(yīng)的校正方程,。此外,,還通過實驗室和現(xiàn)場測試,驗證了基于 Picarro N2O 同位素分析儀搭建的在線觀測系統(tǒng)與傳統(tǒng) IRMS 技術(shù)之間有較強的一致性,,是進行在線水中溶解 N2O 同位素觀測的最佳選擇,。


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圖 2 - 基于 Picarro G5101-i 搭建的原位在線實時觀測水中溶解 N2O 濃度及同位素監(jiān)測系統(tǒng)


Peng et al., (2014) 利用 Picarro G5101-i N2O 同位素分析儀,,對廢水處理過程中的不同溶解氧(DO)濃度下,,排放的 N2O 同位素組成進行了觀測。通過對 SP 值的解析,,發(fā)現(xiàn) N2O 的產(chǎn)生主要來源于氨氧化細菌(AOB)的反硝化作用和羥胺(NH2OH)氧化作用,,且 DO 濃度對這兩種途徑的相對貢獻有重要影響。實現(xiàn)了這兩種途徑對 N2O 產(chǎn)生的貢獻比例的拆分,,揭示了 DO  濃度對 N2O 產(chǎn)生機制的影響,。


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圖 3 - N2O 的 δ15Nbulk 和 SP(位置偏好)與 DO 濃度的關(guān)系圖(Lai et al., 2014)


香港科技大學(廣州)團隊利用 Picarro G5131-i N2O 同位素分析儀,、小樣品進樣模塊 SSIM2 以及配備低溫吹掃捕集模塊的自動進樣器搭建了測量水中溶解 N2O 同位素的系統(tǒng)(圖 4),,并基于該系統(tǒng)對富營養(yǎng)河口、水產(chǎn)養(yǎng)殖及廢液處理過程中的 N2O 產(chǎn)生機制進行了研究,。


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圖 4 - 基于 Picarro G5131-i 和小樣品進樣模塊搭建的觀測水中溶解 N2O 濃度及同位素的在線原位觀測系統(tǒng) (Ji and Grundle, 2019)


Zheng et al., (2024) 利用上述系統(tǒng),,在珠江口中游的虎門開展了為期 2  年的實地采樣測定,探討了 N2O 生成以及氨氧化過程的季節(jié)性變化,。結(jié)果顯示,,4 月至 11 月間,N2O 生成活躍,,氨氧化為主要 N2O 產(chǎn)生途徑,。盡管水體溶氧含量較高,反硝化作用依然貢獻了 N2O 排放量的 20-40%,。在冬季微生物活力下降,,N2O 生成較慢。該研究為進一步認識河口和近海 N2O 生成的機制提供了定量的觀測結(jié)果,。


Wang et al., (2024) 利用上述系統(tǒng),,結(jié)合 15N 標記技術(shù),分析了中國南方三種水產(chǎn)養(yǎng)殖塘的 N2O 排放機制,。結(jié)果表明,,養(yǎng)殖塘 N2O 排放速率(6–70 µmol-N m-2 d-1)顯著高于自然水體,且南美白對蝦塘排放最高,,主要源于反硝化作用(亞硝酸鹽不完全還原),其中沉積物貢獻大于水體,。研究證實飼料投喂量是關(guān)鍵驅(qū)動因素,,建議優(yōu)化養(yǎng)殖管理以減少 N2O 排放。該研究為水產(chǎn)養(yǎng)殖的溫室氣體減排提供科學依據(jù),。


Jia et al., (2024) 利用上述系統(tǒng)對兩階段部分硝化-厭氧氨氧化/反硝化(PNA/D)工藝處理中高氨氮食品廢液消化液(LD)過程中的 N2O 同位素組成進行了精確測定,,研究發(fā)現(xiàn),該工藝能高效去除 95%的氮,,其中厭氧氨氧化貢獻 75%脫氮,,并首次證實硫酸鹽和鐵還原可耦合氨氧化(Sulfammox/Feammox),貢獻額外 20%脫氮,。通過微生物群落分析和功能基因表達研究,,揭示了 PNA/D 系統(tǒng)中微生物的相互作用和代謝途徑,為低碳廢水處理提供了新思路,,同時為揭示食品廢液處理過程中 N2O 的產(chǎn)生途徑提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持,。


揭秘水體 N?O 排放之謎 —— 新一代 PI5131-i N?O 同位素分析儀,助力 N?O 排放機制研究圖 5 - 兩階段硝化-厭氧氨氧化/反硝化(PNA/D)工藝流程圖


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相關(guān)參考文獻




【1】Picarro N2O 同位素分析儀測量水中溶解 N2O 同位素可行性評估:

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108057

【2】溶解氧對于 N2O 產(chǎn)生機制的研究:

http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2014.08.009

【3】水中溶解 N2O 及其同位素組成的自動化觀測系統(tǒng):

https://doi.org/10.1002/rcm.8502

【4】富營養(yǎng)河口 N2O 產(chǎn)生機制研究:

https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2024.116528

【5】水產(chǎn)養(yǎng)殖 N2O 來源解析:

https://doi.org/10.1016/j.wroa.2024.100249

【6】食品廢液處理過程中 N2O 的產(chǎn)生途徑解析: 

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.130533

【7】固氮生物的 N2O 同化作用:

https://doi.org/10.1029/2024JG008187


揭秘水體 N?O 排放之謎 —— 新一代 PI5131-i N?O 同位素分析儀,,助力 N?O 排放機制研究

Picarro PI5131-是專門為高精度 N2O 同位素測量而設(shè)計的分析儀,可同時測量 N2O,、δ15Nbulk,、δ15Nα,、δ15Nβ 和 δ18O。PI5131-i 具有如下特點和優(yōu)勢:

  • 實現(xiàn)大氣濃度下的高精度測量,,10 min 測量精度:N2O 濃度 < 

    0.05 ppb,;δ15Nbulk、δ15Nα,、δ15Nβ < 0.7‰,;δ18O < 0.7‰;

  • 能夠同時測定 N2O 中的位點特異性及整體 δ15N 和 δ18O 測量,;

  • 無制冷劑,,連續(xù)運行,可進行現(xiàn)場和實驗室部署,。













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PI5131-在維持 G5131-i 高精度測量的基礎(chǔ)上,從儀器的耐用性,、持久性,,以及用戶的易用性等方面進行了一系列的升級。

外觀升級:從 G5131-i 的雙機箱設(shè)計升級至了 PI5131-i 的單機箱設(shè)計,,增加了安裝,、運輸?shù)目煽啃裕?/span>

操作系統(tǒng)升級:從 Windows 升級至 Linux,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,;

優(yōu)化光學系統(tǒng):優(yōu)化了壓電陶瓷的設(shè)計,、新增的機械增強型腔體底板設(shè)計和加壓密閉箱,增加了光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性,;

增加遠程可調(diào)整性:增加了先進的光學控制,,使得光路的遠程調(diào)整變成可能,從一定程度上避免了返場的需要,;

數(shù)據(jù)傳輸方式:支持更多的數(shù)據(jù)傳輸方式,,提供給用戶更多的選擇。


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