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

更新時間：2025-05-19 點擊次數(shù)：724

背景介紹

N₂O 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 N₂O 排放的關(guān)鍵源區(qū)，無論是自然水體（如，海洋、湖泊、河流等），還是有人為干預的水體（如，水庫、養(yǎng)殖塘、污水處理廠等），均是 N₂O 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 N₂O 同位素分析儀在土壤 N₂O 排放中的應用，本文將重點介紹 Picarro N₂O 同位素分析儀在水體 N₂O 排放監(jiān)測中的應用。

圖 1 - 全球湖泊和水庫 N₂O 排放核算圖

應用介紹

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 Ascarite^TM 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。

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。

圖 3 - N₂O 的 δ¹⁵N_bulk 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。

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。

圖 5 - 兩階段硝化-厭氧氨氧化/反硝化（PNA/D）工藝流程圖

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

Picarro PI5131-i 是專門為高精度 N₂O 同位素測量而設計的分析儀，可同時測量 N₂O、δ¹⁵N_bulk、δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β 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；δ¹⁵N_bulk、δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β < 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。