Synergies of chemodenitrification and denitrification in a saline inland lake

內(nèi)陸鹽湖化學(xué)脫氮與反硝化的協(xié)同作用

來(lái)源：Chemosphere 359 (2024) 142292

 

1. 摘要概述

 

論文研究了西班牙Gallocanta鹽湖沉積物中氮循環(huán)的生物與非生物途徑協(xié)同作用。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

化學(xué)反硝化（CDNT）：亞鐵離子（Fe2?）驅(qū)動(dòng)亞硝酸鹽（NO??）非生物還原，生成N?O（圖4）。添加外源Fe2?可增強(qiáng)該過(guò)程（反應(yīng)速率從0.005 h?1升至0.006 h?1）（表2）。

 

 

同位素分餾特征：

CDNT導(dǎo)致亞硝酸鹽δ1?N分餾值（ε1?N<sub>NO?</sub>）達(dá) -6.8‰至-12.3‰（圖5G,H）。

生物反硝化導(dǎo)致硝酸鹽δ1?N分餾值（ε1?N<sub>NO?</sub>）為 -8.5‰至-15.1‰（圖5C,D）。

 

環(huán)境意義：鹽湖深層沉積物（5-9 cm）中低有機(jī)碳、高Fe2?條件同時(shí)支持化學(xué)反硝化與自養(yǎng)生物反硝化，顯著影響N?O排放。

 

2. 研究目的

 

探究鹽湖生態(tài)系統(tǒng)中：

 

化學(xué)反硝化（CDNT）的可行性：明確Fe2?在非生物性NO??還原中的作用；

生物與非生物途徑的協(xié)同機(jī)制：通過(guò)同位素分餾區(qū)分CDNT與生物反硝化貢獻(xiàn)；

環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素：評(píng)估有機(jī)碳、鐵、硫的耦合如何調(diào)控氮轉(zhuǎn)化路徑。

 

3. 研究思路

 

采用 “野外采樣-實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)-多參數(shù)分析” 策略：

 

野外采樣：采集湖水和沉積物（分層：0-5 cm有機(jī)質(zhì)/S2?富集層；5-9 cm低有機(jī)碳/高Fe2?層）。

實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)：設(shè)計(jì)6組厭氧培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（表1），包括：

 

對(duì)照組（AMON, sAMON）：評(píng)估自然礦化作用（圖2）。

 

反硝化組（hDNT, IDNT）：添加硝酸鹽（100/400 μM）測(cè)試生物反硝化（圖3）。

 

化學(xué)反硝化組（CHDN, FeCHD）：添加亞硝酸鹽（500 μM）±外源Fe2?（500 μM）測(cè)試CDNT（圖4）。

多參數(shù)分析：

濃度監(jiān)測(cè)：NO??、NO??、NH??、Fe2?、∑S2?（圖2-4）。

Unisense電極：定性檢測(cè)N?O積累（支持信息S6）。

同位素分餾：δ1?N/δ1?O測(cè)定（圖5）。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 沉積物孔隙水特征（圖1）

 

 

數(shù)據(jù)：深層沉積物（5-9 cm）孔隙水中Fe2?濃度高達(dá)150 μM（圖1A-C），為CDNT提供電子供體；表層（0-5 cm）因硫酸鹽還原生成S2?抑制Fe2?活性。

意義：揭示鹽湖分層環(huán)境對(duì)氮-鐵耦合反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制。

 

(2) 反硝化實(shí)驗(yàn)（圖3, 圖5A-D）

 

數(shù)據(jù)：

IDNT組（100 μM NO??）反應(yīng)速率（0.065 h?1）高于hDNT組（0.018 h?1）（表2）。

ε1?N<sub>NO?</sub>為-8.5‰（IDNT）和-15.1‰（hDNT），ε1?O<sub>NO?</sub>為-7.9‰和-19.7‰（圖5C,D）。

意義：證實(shí)低有機(jī)碳/高Fe2?條件下自養(yǎng)生物反硝化的存在；分餾值與反應(yīng)速率負(fù)相關(guān)（高速率對(duì)應(yīng)弱分餾）。

 

(3) 化學(xué)反硝化實(shí)驗(yàn)（圖4, 圖5E-H）

 

數(shù)據(jù)：

FeCHD組（添加Fe2?）NO??還原率（40%）高于CHDN組（30%）（圖4A,B）。

ε1?N<sub>NO?</sub>為-6.8‰（CHDN）和-12.3‰（FeCHD）（圖5G,H）。

Unisense電極檢測(cè)：N?O在CDNT組顯著積累（FeCHD > CHDN）。

意義：外源Fe2?促進(jìn)CDNT；同位素分餾值重疊于生物反硝化范圍，需結(jié)合N?O數(shù)據(jù)區(qū)分途徑。

 

(4) 金屬與硫化物動(dòng)態(tài)（圖2-4）

 

數(shù)據(jù)：∑S2?在表層沉積物實(shí)驗(yàn)（sAMON）中積累（130 μM），深層（AMON）無(wú)積累（圖2C,D）；Fe2?在反硝化/CDNT實(shí)驗(yàn)中釋放（圖3C,D, 圖4C,D）。

意義：硫循環(huán)通過(guò)FeS沉淀抑制Fe2?活性，限制CDNT于深層沉積物。

 

5. Unisense電極數(shù)據(jù)的核心研究意義

 

通過(guò) Unisense微傳感器（Clark型） 定性監(jiān)測(cè)N?O積累，關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)如下：

(1) N?O作為CDNT的標(biāo)志物

 

數(shù)據(jù)：CDNT實(shí)驗(yàn)（CHDN/FeCHD）中N?O積累量顯著高于生物反硝化組（IDNT/hDNT）。

意義：驗(yàn)證CDNT以N?O為終點(diǎn)產(chǎn)物（非生物途徑無(wú)N?O還原酶），而生物反硝化主要生成N?。

 

(2) Fe2?對(duì)N?O生成的促進(jìn)作用

 

數(shù)據(jù)：FeCHD組（添加Fe2?）N?O積累量高于CHDN組。

意義：直接證實(shí)Fe2?氧化驅(qū)動(dòng)非生物性N?O生成，為溫室氣體排放模型提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

(3) 反應(yīng)機(jī)制區(qū)分

 

數(shù)據(jù)：N?O僅在CDNT組大量積累，生物反硝化組可忽略。

意義：Unisense數(shù)據(jù)聯(lián)合同位素分餾值（ε1?N<sub>NO?</sub>）明確區(qū)分CDNT（高N?O）與生物反硝化（低N?O），解決傳統(tǒng)濃度監(jiān)測(cè)的歧義性。

 

總結(jié)Unisense數(shù)據(jù)價(jià)值：

 

機(jī)制診斷：提供CDNT的直接證據(jù)（N?O累積），彌補(bǔ)同位素分餾值的重疊局限。

過(guò)程量化：定性關(guān)聯(lián)Fe2?添加與N?O生成強(qiáng)度，支持CDNT的環(huán)境貢獻(xiàn)評(píng)估。

 

6. 結(jié)論

 

CDNT在鹽湖的可行性：深層沉積物（5-9 cm）中高Fe2?驅(qū)動(dòng)NO??非生物還原，外源Fe2?可提升反應(yīng)速率（40% NO??還原率）。

協(xié)同氮循環(huán)途徑：

生物反硝化主導(dǎo)NO??還原（自養(yǎng)途徑，ε1?N<sub>NO?</sub>達(dá)-15.1‰）。

CDNT主導(dǎo)NO??還原（ε1?N<sub>NO?</sub>達(dá)-12.3‰），生成N?O（Unisense驗(yàn)證）。

環(huán)境調(diào)控：有機(jī)碳限制與Fe2?/S2?競(jìng)爭(zhēng)決定CDNT空間分布（僅深層活躍）。

應(yīng)用價(jià)值：同位素分餾（ε1?N<sub>NO?</sub>）與Unisense N?O監(jiān)測(cè)聯(lián)用，為水生生態(tài)系統(tǒng)氮轉(zhuǎn)化路徑識(shí)別提供可靠工具。

 

圖標(biāo)索引：

 

孔隙水剖面：圖1（Fe/N分布）

培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：表1（6組條件）

礦化作用：圖2（NH??/∑S2?釋放）

反硝化：圖3（NO??還原動(dòng)力學(xué)）

化學(xué)反硝化：圖4（NO??還原/Fe2?作用）

同位素分餾：圖5（ε1?N<sub>NO?</sub>/ε1?N<sub>NO?</sub>計(jì)算）

反應(yīng)速率：表2（CDNT速率對(duì)比文獻(xiàn)）