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(jī)制研究

更新時(shí)間：2025-05-19 點(diǎn)擊次數(shù)：113

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(qiáng)的增溫潛勢(shì)，約為 CO₂ 的 300 倍，對(duì)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(yù)的水體（如，水庫(kù)、養(yǎng)殖塘、污水處理廠等），均是 N₂O 排放的熱點(diǎn)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(dǎo)致目前對(duì)于水體 N₂O 排放的估算存在比較大的不確定性。準(zhǔn)確的 N₂O 濃度和同位素觀測(cè)數(shù)據(jù)，有助于準(zhǔn)確量化水體 N₂O 的排放，加深對(duì)于 N₂O 排放機(jī)制的認(rèn)識(shí)，從而促進(jìn)對(duì)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(hào)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(yīng)用，本文將重點(diǎn)介紹 Picarro N₂O 同位素分析儀在水體 N₂O 排放監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

圖 1 - 全球湖泊和水庫(kù) N₂O 排放核算圖

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(shí)現(xiàn)了對(duì)于水中溶解 N₂O 濃度和同位素（δ¹⁵N-N₂O）的連續(xù)在線原位觀測(cè)。為了應(yīng)對(duì)水中溶解的其他氣體可能對(duì)于 N₂O 濃度及同位素測(cè)量的干擾，Erler 在氣體進(jìn)入分析儀前對(duì)氣體進(jìn)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(shí)驗(yàn)，定量了 O₂、CH₄ 和 N₂O 濃度對(duì) δ¹⁵N-N₂O 測(cè)量的影響，并建立了相應(yīng)的校正方程。此外，還通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了基于 Picarro N₂O 同位素分析儀搭建的在線觀測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng) IRMS 技術(shù)之間有較強(qiáng)的一致性，是進(jìn)行在線水中溶解 N₂O 同位素觀測(cè)的最佳選擇。

圖 2 - 基于 Picarro G5101-i 搭建的原位在線實(shí)時(shí)觀測(cè)水中溶解 N₂O 濃度及同位素監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

Peng et al., (2014) 利用 Picarro G5101-i N₂O 同位素分析儀，對(duì)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(jìn)行了觀測(cè)。通過對(duì) SP 值的解析，發(fā)現(xiàn) N₂O 的產(chǎn)生主要來源于氨氧化細(xì)菌（AOB）的反硝化作用和羥胺（NH₂OH）氧化作用，且 DO 濃度對(duì)這兩種途徑的相對(duì)貢獻(xiàn)有重要影響。實(shí)現(xiàn)了這兩種途徑對(duì) N₂O 產(chǎn)生的貢獻(xiàn)比例的拆分，揭示了 DO 濃度對(duì) N₂O 產(chǎn)生機(jī)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(xué)（廣州）團(tuán)隊(duì)利用 Picarro G5131-i N₂O 同位素分析儀、小樣品進(jìn)樣模塊 SSIM2 以及配備低溫吹掃捕集模塊的自動(dòng)進(jìn)樣器搭建了測(cè)量水中溶解 N₂O 同位素的系統(tǒng)（圖 4），并基于該系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)河口、水產(chǎn)養(yǎng)殖及廢液處理過程中的 N₂O 產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了研究。

圖 4 - 基于 Picarro G5131-i 和小樣品進(jìn)樣模塊搭建的觀測(cè)水中溶解 N₂O 濃度及同位素的在線原位觀測(cè)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(shí)地采樣測(cè)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(xiàn)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(jìn)一步認(rèn)識(shí)河口和近海 N₂O 生成的機(jī)制提供了定量的觀測(cè)結(jié)果。

Wang et al., (2024) 利用上述系統(tǒng)，結(jié)合 ¹⁵N 標(biāo)記技術(shù)，分析了中國(guó)南方三種水產(chǎn)養(yǎng)殖塘的 N₂O 排放機(jī)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(duì)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(xiàn)大于水體。研究證實(shí)飼料投喂量是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)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(xué)依據(jù)。

Jia et al., (2024) 利用上述系統(tǒng)對(duì)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(jìn)行了精確測(cè)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(xiàn) 75%脫氮，并首次證實(shí)硫酸鹽和鐵還原可耦合氨氧化（Sulfammox/Feammox），貢獻(xiàn)額外 20%脫氮。通過微生物群落分析和功能基因表達(dá)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(shí)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(xiàn)

【1】Picarro N₂O 同位素分析儀測(cè)量水中溶解 N₂O 同位素可行性評(píng)估：

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

【2】溶解氧對(duì)于 N₂O 產(chǎn)生機(jī)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(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)：

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

【4】富營(yíng)養(yǎng)河口 N₂O 產(chǎn)生機(jī)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(cè)量而設(shè)計(jì)的分析儀，可同時(shí)測(cè)量 N₂O、δ¹⁵N_bulk、δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β 和 δ¹⁸O。PI5131-i 具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

實(shí)現(xiàn)大氣濃度下的高精度測(cè)量，10 min 測(cè)量精度：N₂O 濃度 <
0.05 ppb；δ¹⁵N_bulk、δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β < 0.7‰；δ¹⁸O < 0.7‰；
能夠同時(shí)測(cè)定 N₂O 中的位點(diǎn)特異性及整體 δ¹⁵N 和 δ¹⁸O 測(cè)量；
無制冷劑，連續(xù)運(yùn)行，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室部署。

PI5131-i 在維持 G5131-i 高精度測(cè)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(jìn)行了一系列的升級(jí)。

外觀升級(jí)：從 G5131-i 的雙機(jī)箱設(shè)計(jì)升級(jí)至了 PI5131-i 的單機(jī)箱設(shè)計(jì)，增加了安裝、運(yùn)輸?shù)目煽啃裕?/span>

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

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

增加遠(yuǎn)程可調(diào)整性：增加了先進(jìn)的光學(xué)控制，使得光路的遠(yuǎn)程調(diào)整變成可能，從一定程度上避免了返場(chǎng)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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