Synergies of chemodenitrification and denitrification in a saline inland lake

內陸鹽湖化學脫氮與反硝化的協同作用

來源：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的生物與非生物途徑協同作用。核心發現包括：

 

化學反硝化（CDNT）：亞鐵離子（Fe2?）驅動亞硝酸鹽（NO??）非生物還原，生成N?O（圖4）。添加外源Fe2?可增強該過程（反應速率從0.005 h?1升至0.006 h?1）（表2）。

 

 

同位素分餾特征：

CDNT導致亞硝酸鹽δ1?N分餾值（ε1?N_NO?）達 -6.8‰至-12.3‰（圖5G,H）。

生物反硝化導致硝酸鹽δ1?N分餾值（ε1?N_NO?）為 -8.5‰至-15.1‰（圖5C,D）。

 

環境意義：鹽湖深層沉積物（5-9 cm）中低有機碳、高Fe2?條件同時支持化學反硝化與自養生物反硝化，顯著影響N?O排放。

 

2. 研究目的

 

探究鹽湖生態系統中：

 

化學反硝化（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同機制：通過同位素分餾區分CDNT與生物反硝化貢獻；

環境驅動因素：評估有機碳、鐵、硫的耦合如何調控氮轉化路徑。

 

3. 研究思路

 

采用 “野外采樣-實驗室培養-多參數分析” 策略：

 

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

實驗室培養：設計6組厭氧培養實驗（表1），包括：

 

對照組（AMON, sAMON）：評估自然礦化作用（圖2）。

 

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

 

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

多參數分析：

濃度監測：NO??、NO??、NH??、Fe2?、∑S2?（圖2-4）。

Unisense電極：定性檢測N?O積累（支持信息S6）。

同位素分餾：δ1?N/δ1?O測定（圖5）。

 

4. 測量數據及研究意義

(1) 沉積物孔隙水特征（圖1）

 

 

數據：深層沉積物（5-9 cm）孔隙水中Fe2?濃度高達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：揭示鹽湖分層環境對氮-鐵耦合反應的調控機制。

 

(2) 反硝化實驗（圖3, 圖5A-D）

 

數據：

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

ε1?N_NO?為-8.5‰（IDNT）和-15.1‰（hDNT），ε1?O_NO?為-7.9‰和-19.7‰（圖5C,D）。

意義：證實低有機碳/高Fe2?條件下自養生物反硝化的存在；分餾值與反應速率負相關（高速率對應弱分餾）。

 

(3) 化學反硝化實驗（圖4, 圖5E-H）

 

數據：

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

ε1?N_NO?為-6.8‰（CHDN）和-12.3‰（FeCHD）（圖5G,H）。

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

意義：外源Fe2?促進CDNT；同位素分餾值重疊于生物反硝化范圍，需結合N?O數據區分途徑。

 

(4) 金屬與硫化物動態（圖2-4）

 

數據：∑S2?在表層沉積物實驗（sAMON）中積累（130 μM），深層（AMON）無積累（圖2C,D）；Fe2?在反硝化/CDNT實驗中釋放（圖3C,D, 圖4C,D）。

意義：硫循環通過FeS沉淀抑制Fe2?活性，限制CDNT于深層沉積物。

 

5. Unisense電極數據的核心研究意義

 

通過 Unisense微傳感器（Clark型） 定性監測N?O積累，關鍵發現如下：

(1) N?O作為CDNT的標志物

 

數據：CDNT實驗（CHDN/FeCHD）中N?O積累量顯著高于生物反硝化組（IDNT/hDNT）。

意義：驗證CDNT以N?O為終點產物（非生物途徑無N?O還原酶），而生物反硝化主要生成N?。

 

(2) Fe2?對N?O生成的促進作用

 

數據：FeCHD組（添加Fe2?）N?O積累量高于CHDN組。

意義：直接證實Fe2?氧化驅動非生物性N?O生成，為溫室氣體排放模型提供關鍵參數。

 

(3) 反應機制區分

 

數據：N?O僅在CDNT組大量積累，生物反硝化組可忽略。

意義：Unisense數據聯合同位素分餾值（ε1?N_NO?）明確區分CDNT（高N?O）與生物反硝化（低N?O），解決傳統濃度監測的歧義性。

 

總結Unisense數據價值：

 

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

過程量化：定性關聯Fe2?添加與N?O生成強度，支持CDNT的環境貢獻評估。

 

6. 結論

 

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

協同氮循環途徑：

生物反硝化主導NO??還原（自養途徑，ε1?N_NO?達-15.1‰）。

CDNT主導NO??還原（ε1?N_NO?達-12.3‰），生成N?O（Unisense驗證）。

環境調控：有機碳限制與Fe2?/S2?競爭決定CDNT空間分布（僅深層活躍）。

應用價值：同位素分餾（ε1?N_NO?）與Unisense N?O監測聯用，為水生生態系統氮轉化路徑識別提供可靠工具。

 

圖標索引：

 

孔隙水剖面：圖1（Fe/N分布）

培養實驗設計：表1（6組條件）

礦化作用：圖2（NH??/∑S2?釋放）

反硝化：圖3（NO??還原動力學）

化學反硝化：圖4（NO??還原/Fe2?作用）

同位素分餾：圖5（ε1?N_NO?/ε1?N_NO?計算）

反應速率：表2（CDNT速率對比文獻）