CN105585129B - 一种模拟原位河道生态系统氮素归趋的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置和方法。本装置包括包括依次相连的进水装置、模拟河道实验装置和检测装置，模拟河道实验装置为有机玻璃组成的透明长方体，装置底部设置取泥口、中部设置取水口、顶部设置可拆卸式的顶盖，顶盖上有活动式隔板以及气体静态采集箱。本装置能完成对整个模拟培养过程中温度、pH、溶解氧的实时监控，同时能对装置内沉积物氮素浓度、水体氮素浓度和产气进行测定。能够定量河道生态系统沉积物‑水界面、水‑气界面、水生植物、微生物等的氮素迁移转换。本发明内容综合考虑整个河流生态系统各脱氮途径间的氮素输出、转化和定量关系，为河流生态系统生态修复的研究提供理论基础。

Description

一种模拟原位河道生态系统氮素归趋的装置及方法
技术领域
本发明属于生态工程技术领域，具体涉及一种模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置及方法。
背景技术
随着我国经济快速发展，人类活动的加剧,沿河湖地区氮、磷等污染物排放逐年增加，河流面临着水质逐年恶化、富营养化问题日益严重、生态系统不断退化等问题。营养盐过量排放是造成河流富营养化的重要原因。目前，科学家认为氮素是水体富营养化的关键影响因子之一，对氮素在河道中的生物地球化学循环过程进行全面完整的了解，有助于为河流系统生态修复提供理论基础，从而有效控制治理富营养化。
研究表明，氮素经固氮作用进入湖泊等生态系统后，在沉积物-水界面进行交换，并通过湖泊中的动物、植物、微生物等生物的同化吸收或选择性捕食，在食物链营养级中自下而上进行传递，最后氮素主要经以下三种途径输出系统：水生植物的吸收；氮素经微生物作用以N2、N2O等气体形式离开湖泊系统；氮素经过沉积作用沉入沉积物从而被固定。
由于人类活动的影响，水体氮素的生物地球化学循环受到影响，由此引发的水体富营养化等环境问题使得环境及生态学家对氮素在生态系统中输入、迁移、转化、循环和输出的规律进行大量的研究。Erler等人(Environmental Science&Technology，2008，TheContribution of Anammox and Denitrification to Sediment N2 Production in aSurface Flow ConstructedWetland)通过构建人工湿地对反硝化和厌氧氨氧化微生物产气进行研究。Ishii等人(Microbes and Environments，2011，Nitrogen Cycling in RicePaddy Environments:Past Achievements and Future Challenges)研究了稻田土壤氮素循环。陈学民等(农业环境科学学报，2012，青海湖表层沉积物营养元素分布特征及相关性分析)对青海湖表层氮磷元素进行研究。国内外学者已对水生系统中氮素的迁移转化进行了大量的研究，但是到目前为止，如何在室内通过模拟原位河道环境，探讨不同生态修复手段对河道中氮归趋的模拟技术方法尚未见报道。因此，当综合考虑整个河流生态系统时，各脱氮途径间的氮素输出、转化和定量关系难以确定，从而阻碍了受污染河流生态修复的研究。
河流在治理过程中受其本身条件的影响很大，比如其所处地域的气候条件、河流水体理化环境、营养盐状态、流量大小等。针对每条河流自身的特征，研究或者选择相关的装置及技术是必要的。
直接的河流富营养化治理工程项目投入非常大，为了避免不必要的风险损失，在全面的工程项目之前进行河道氮素归趋小试研究具有其重要的意义。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：针对日益严重河道污染、水质恶化问题。本发明提供一种模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置及方法。该装置可以精确测量河流生态系统中的氮素归趋，从而可以促进原位河道生态修复的研究。
针对现有技术中存在的河流治理中需要考虑的实际问题，本专利的目的之一在于提供一种模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置，具体通过以下技术方案来实现：
一种模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置，包括依次相连的进水装置、模拟河道实验装置和检测装置。
所述进水装置包括依次相连的储水箱、恒流泵、进水阀
所述模拟河道实验装置为有机玻璃组成的带可拆卸顶盖的透明长方体，长2m、宽0.5m、高1m。底部铺设铺设河道沉积物(河道沉积物可以是拟研究的任何水体沉积物，铺设厚度为0.4m，以满足实验对沉积物采集的需要)。该实验装置分为三个区域：进水区、模拟河道、出水区，之间由有机玻璃相分隔，有机玻璃面上有网孔，进水时，恒流泵将河水通过进水阀泵入进水区，河水可以通过小网孔进入模拟河道内，从而不会扰动底部的沉积物；出水时，出水区内的水通过出水阀流出。
可拆卸顶盖上设有一个以上活动式隔板，根据实验需要本发明设置3个活动式隔板，每隔0.5m设置一个，按下活动式隔板，从而将实验装置分为A、B、C、D四个隔间；顶盖另设有4个气体静态采集箱，与活动式隔板相互交错设置，所述采气箱为直径10cm，高10cm的圆柱体，采气箱上部设置一个直径4cm的采气口，实验过程中用封口膜密封，以满足实验对气体采集的需要。
所述实验装置每个隔间外侧垂直方向上还设置有多个取泥口，可以采集在垂直方向上的多个底泥样品；取泥口上方还设置有多个取水口(每隔10cm设有取水口)，可以采集不同高度上覆水样品。
所述检测装置包括计算机主机、液晶显示屏、监测探头(温度探头、pH计探头和溶氧探头)该监测探头将采集的温度、pH和溶解氧等数据实时传输到计算机主机，并在显示器上显示。
所述模拟河道实验装置上方还设置有外加光源，在外界光照不足时用于满足植物生长的光照需要，装置外侧包裹铝箔纸以避光。
根据实验需要，可采集静态采气箱内的气体，使用气相色谱仪测定实验过程中产生的N2O；采集实验中的上覆水样品，利用膜接口质谱仪测定溶解于水体中的N2产量。
按下顶盖上的活动式隔板，可以将装置划分成A、B、C、D四个隔间，其目的在于将实验装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组，并且每个隔间有独立的取水口和取泥口，从而可以模拟不同生态修复手段下氮归趋。
本专利的目的之二在于提供一种模拟并测定河道生态系统氮素归趋方法，是基于上述装置的方法，具体通过以下技术方案来实现：
一种模拟并测定河道生态系统氮素归趋的方法，包括如下步骤：
(1)装置内原位河道沉积物的添加：通过采泥器采集原位河道的沉积物，迅速运回实验室进行转移，在模拟河道实验装置内铺设河道沉积物，厚度为40cm，水土界面与第一个沉积物取泥口相平齐；
(2)装置内水环境的构建：采集实验河道河水存储于储水箱内，进水时，恒流泵将河水通过进水阀泵入进水区，通过布水槽均匀布水，以保证注水过程中柱内沉积物不受扰动；
(3)植物的选取：根据江南河道实际水生植物状况，选取适宜的沉水植物，将沉水植物均匀种植在装置内原位沉积物中，使沉水植物的生物量达到100g/m2左右，每株植株高度为10cm，选取长势较好的伊乐藻、金鱼藻、马来眼子菜、微齿眼子菜等作为研究对象；
(4)固定化氮循环菌的制备：用制备的载体富集四种氮循环菌(氨氧化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌)，将富集四种氮循环菌的固定化载体以细孔网袋包裹，其可向水体和沉积物中释放氮循环菌；
(5)检测分析：装置内的监测探头与计算机主机相连，通过其进行数据处理，并在显示器上显示，定期监测模拟河道装置水体和沉积物的pH、DO、TP、TN、NH4 +、NO3 -、NO2 -、溶解性N2等数据。
本发明具有如下优点：
1、本发明综合考虑河道生态系统的氮归趋，通过控制条件和使用同位素标记的方法达到对河道氮归趋的研究。
2、本发明通过对模拟装置的恰当设计，可以实现气体、水样、植物以及沉积物样品的采集，获取多方面的数据。
3、本发明装置易操作、结构简单、功能多样，可以研究不同生态修复手段下河流生态系统的氮素归趋。
附图说明
图1是本发明模拟河道实验装置结构示意图
1.储水池 2.恒流泵 3.进水阀 4.进水区 5.取水口 6.取泥口 7.出水阀 8.出水区 9.溶解氧探头 10.pH探头 11.温度探头 12.可拆卸式顶盖 13.静态采气箱 14.采气口15.活动式隔板 16.卤素灯 17.显示器 18.计算机主机
图2是实施例1不同处理组水体的总氮浓度随处理时间的变化。
—■—裸泥(mg/L)，—●—氮循环菌(mg/L),—▲—沉水植物(mg/L),—▼—氮循环菌+沉水植物(mg/L)。
图3是实施例2不同生态修复手段下，实验装置中N2的排放通量的比较。
A：裸泥(umolm-2h-1)，B：氮循环菌(umolm-2h-1)，C：沉水植物(umolm-2h-1)，D：氮循环菌+沉水植物(umolm-2h-1)。
图4是实施例2不同生态修复手段下，实验装置中N2O的排放通量的比较。
A：裸泥(ugm-2h-1)，B：氮循环菌(ugm-2h-1)，C：沉水植物(ugm-2h-1)，D：氮循环菌+沉水植物(ugm-2h-1)。
图5是实施例2不同生态修复手段下，实验装置中沉积物15N占比。
A：裸泥，B：氮循环菌，C：沉水植物，D：氮循环菌+沉水植物。
图6是实施例2不同生态修复手段下，实验装置中水体15N占比。
A：裸泥，B：氮循环菌，C：沉水植物，D：氮循环菌+沉水植物。
图7是实施例3中不同生态修复手段下，实验装置中沉积物15N占比。
A：裸泥，B：氮循环菌，C：沉水植物，D：氮循环菌+沉水植物。
图8是实施例3中不同生态修复手段下，实验装置中水体15N占比。
A：裸泥，B：氮循环菌，C：沉水植物，D：氮循环菌+沉水植物。
图9是实施例4小试实验中不同生态修复手段下，实验装置中N2的排放通量的比较。
A：裸泥(umolm-2h-1)，B：氮循环菌(umolm-2h-1)，C：沉水植物(umolm-2h-1)，D：氮循环菌+沉水植物(umolm-2h-1)。
图10是实施例4小试实验中不同生态修复手段下，实验装置中N2O的排放通量的比较。
A：裸泥(ugm-2h-1)，B：氮循环菌(umolm-2h-1)，C：沉水植物(umolm-2h-1)，D：氮循环菌+沉水植物(umolm-2h-1)。
图11是实施例4小试实验中不同生态修复手段下，实验装置中沉积物15N占比。
A：裸泥，B：氮循环菌，C：沉水植物，D：氮循环菌+沉水植物。
图12是实施例4小试实验中不同生态修复手段下，实验装置中植物15N占比。
A：裸泥，B：氮循环菌，C：沉水植物，D：氮循环菌+沉水植物。
图13是实施例4小试实验中不同生态修复手段下，实验装置中水体15N占比。
A：裸泥，B：氮循环菌，C：沉水植物，D：氮循环菌+沉水植物。
图14是实施例5小试实验中不同生态修复手段下，实验装置中NirS基因拷贝数。A：裸泥(x107copiesg-1)，B：氮循环菌(x107copiesg-1)，C：沉水植物(x107copiesg-1)，D：氮循环菌+沉水植物(x107copiesg-1)。
图15是实施例6小试实验中不同生态修复手段下，实验装置中沉积物中微生物群落结构。
A：裸泥，B：氮循环菌，C：沉水植物，D：氮循环菌+沉水植物。
图16是实施例7小试实验中不同生态修复手段下，实验装置中沉积物总氮浓度随深度的变化趋势。
—■—裸泥(mg/g)，—●—氮循环菌(mg/g),—▲—沉水植物(mg/g),—▼—氮循环菌+沉水植物(mg/g)。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的说明，而实施例仅是用来说明，而非限制本发明的使用范围。
室内模拟实验所用沉积物及水样为原位河道采集的沉积物及水样，采集沉积物后需避光保存，于2h内运回实验室，填装入模拟河道实验装置内，完成整个实验室内模拟环境的构建。
实施例1(考察模拟河道实验装置中不同处理组水体的总氮浓度随处理时间的变化)
模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置，包括依次相连的进水装置、模拟河道实验装置和检测装置。所述进水装置包括依次相连的储水箱1、恒流泵2、进水阀3；所述模拟河道实验装置为有机玻璃组成的带可拆卸顶盖的透明长方体，长2m、宽0.5m、高1m。底部铺设铺设河道沉积物(河道沉积物可以是拟研究的任何水体沉积物，铺设厚度为0.4m，以满足实验对沉积物采集的需要)。该实验装置分为三个区域：进水区4、模拟河道、出水区8，之间由有机玻璃相分隔，有机玻璃面上有网孔，进水时，恒流泵将河水通过进水阀泵入进水区，河水可以通过小网孔进入模拟河道内，从而不会扰动底部的沉积物；出水时，出水区内的水通过出水阀7流出。
可拆卸顶盖12上设有一个以上活动式隔板15，根据实验需要本发明设置3个活动式隔板，每隔0.5m设置一个，按下活动式隔板，从而将实验装置分为A、B、C、D四个隔间；顶盖另设有4个气体静态采集箱13，与活动式隔板相互交错设置，所述采气箱为直径10cm，高10cm的圆柱体，采气箱上部设置一个直径4cm的采气口14，实验过程中用封口膜密封，以满足实验对气体采集的需要。
所述实验装置每个隔间外侧底部垂直方向上还设置有一个以上取泥口6，可以采集在垂直方向上的多个底泥样品；取泥口上方还设置有一个以上取水口5(每隔10cm设有取水口)，可以采集不同高度上覆水样品。
所述检测装置包括计算机主机18、液晶显示屏17、监测探头(温度探头11、pH计探头10和溶氧探头9)该监测探头将采集的温度、pH和溶解氧等数据实时传输到计算机主机，并在显示器上显示。
所述模拟河道实验装置上方还设置有外加光源(卤素灯)16，在外界光照不足时用于满足植物生长的光照需要，装置外侧包裹铝箔纸以避光。
具体实验步骤如下：
(1)将取自原位的河道沉积物装入实验装置内部，调整至合适高度，使水土界面与第一个沉积物取样口相平齐，在外侧包裹铝箔纸使其侧面呈现遮光状态；
(2)将可拆卸式顶盖12覆盖于模拟河道装置上方，按下活动式隔板15，将实验装置分割为A、B、C、D四个独立的隔间，其目的在于将模拟装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组；
(3)用制备的载体富集氮循环菌，并将氮循环菌载体以细孔网袋包裹，投放到水体之中，可向水体和沉积物内释放氮循环菌；
(4)选取一定量长势良好的沉水植物伊乐藻，每株植物长约10cm，均匀种植在沉积物上，待水生植物生长茁壮后进行实验；
(5)在室温条件下对各组(如下四组)实验装置进行10天培养，实验过程每天采集装置内的水样(采样时候为了让实验条件保持一致，采水时候就用统一高度的采水口，这里我们选取中间的采水口采集水样)，在实验室内进行水质分析得到总氮浓度随时间的变化。
实验设置如下：
A隔间装置(仅添加沉积物)步骤：(1)、(2)、(5)
B隔间装置(沉积物+氮循环菌)步骤：(1)、(2)、(3)、(5)
C隔间装置(沉积物+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(4)、(5)
D隔间装置(沉积物+氮循环菌+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)
取样于10天后本实验结束，装置内水质的测定结果如图2所示，随着处理时间的增加，由于处理组之间的生态修复方式的不同，4个处理组的水质出现变化，与A裸泥组相比，其他3组的总氮浓度都有一定下降，其中D隔间总氮浓度下降最为明显。其原因是由于A组没有进行生态处理，所以水质变化较慢，B组使用氮循环菌，对水体脱氮有一定作用，C组用了沉水植物，也会用一定脱氮作用，D组氮循环菌和沉水植物连用，复合生态修复手段的运用会对脱氮有较大的帮助。
实施例2(考察模拟河道实验装置中不同生态修复手段下硝态氮的归趋)
具体实验步骤如下：
(1)将取自无锡贡湖亲水河沉积物及水样装入实验装置内部，调整至合适高度，使水土界面与沉积物取样口相平齐，在外侧包裹铝箔纸使沉积物侧面呈现遮光状态；
(2)将可拆卸式顶盖12覆盖于模拟河道装置上方，按下活动式隔板15，将实验装置分割为A、B、C、D四个独立的隔间,其目的在于将模拟装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组；并且用封口膜将顶盖上静态采气箱的采气口密封；
(3)用制备的载体富集氮循环菌，并用细孔网袋包裹氮循环菌载体，投放到水体之中，可向水体和沉积物内释放氮循环菌；
(4)选取一定量长势良好的马来眼子菜，每株植物长约10cm，均匀种植在沉积物上，待水生植物生长茁壮后进行实验；
(5)向实验装置内添加同位素标记的15NO3 -盐1mg,在室温条件下对实验装置进行24h培养，采集水样用膜接口质谱仪测定氮气28N2、29N2、30N2，计算N2排放通量；
(6)利用装置上部的静态采气箱13采集气体，气相色谱测定N2O浓度，计算得出N2O的释放通量；
(7)采集实验装置内伊乐藻样品，将植物样粉碎，过筛，同位素比质谱仪测定植物样中15N同位素丰度；
(8)采集实验装置内沉积物样品，将沉积物样粉碎，过筛，同位素比质谱仪测定其中15N同位素丰度；
实验设置如下：
A隔间装置(仅添加沉积物)步骤：(1)、(2)、(5)、(6)、(8)
B隔间装置(沉积物+氮循环菌)步骤：(1)、(2)、(3)、(5)、(6)、(8)
C隔间装置(沉积物+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
D隔间装置(沉积物+氮循环菌+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
各个隔间装置内N2的排放通量如图3所示，经过生态修复的处理组N2的排放通量比裸泥组排放通量高；
N2O的排放通量如图4所示，B、C、D三组经过生态修复的N2O排放通量增加。这说明生态修复加强了沉积物和水体脱氮微生物的活性，促进氮素以气体形式释放。
图5显示了沉积物中可检测出的15N占加入15N总量的百分比，图6显示了水体中可监测到的15N占加入15N总量的百分比。可以看出裸泥组由于没有经过生态修复，其中大部分氮素会留存于水体和沉积物中。
结果表明，通过上述方法，能够定量河道生态系统沉积物-水界面、水-气界面、水生植物、微生物等的氮素迁移转换，研究氮素归趋。
实施例3(考察模拟河道实验装置中不同生态修复手段下铵态氮的归趋)
具体实验步骤如下：
(1)将取自无锡贡湖亲水河沉积物和河水装入实验装置内部，调整至合适高度，使水土界面与沉积物取样口相平齐，在外侧包裹铝箔纸使其侧面呈现遮光状态；
(2)将可拆卸式顶盖12覆盖于模拟河道装置上方，按下活动式隔板15，将实验装置分割为A、B、C、D四个独立的隔间,其目的在于将模拟装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组；并且用封口膜将顶盖上静态采气箱的采气口密封；
(3)用制备的载体富集氮循环菌，用细孔网袋包裹氮循环菌载体，投放到水体之中，可向水体和沉积物内释放氮循环菌；
(4)选取一定量长势良好的微齿眼子菜，每株植物长约10cm，均匀种植在沉积物上，待水生植物生长茁壮后进行实验；
(5)向实验装置内添加同位素标记的15NH4 +盐1mg,在室温条件下对实验装置进行24h培养，采集水样用膜接口质谱仪测定氮气28N2、29N2、30N2，计算N2排放通量；
(6)利用装置上部的采气箱采集气体，气相色谱测定N2O浓度，计算得出N2O的释放通量；
(7)采集实验装置内微齿眼子菜样品，将植物样粉碎，过筛，同位素比质谱仪测定植物样中15N同位素丰度；
(8)采集实验装置内沉积物样品，将沉积物样粉碎，过筛，同位素比质谱仪测定其中15N同位素丰度；
(9)实验设置如下：
A隔间装置(仅添加沉积物)步骤：(1)、(2)、(5)、(6)、(8)
B隔间装置(沉积物+氮循环菌)步骤：(1)、(2)、(3)、(5)、(6)、(8)
C隔间装置(沉积物+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
D隔间装置(沉积物+氮循环菌+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
图7显示了沉积物中可检测出的15N占加入15N总量的百分比，图8显示水体中可监测到的15N占加入15N总量的百分比。由于处理组之间的生态修复方式的不同，裸泥组A其氮素会留存与水体和沉积物中。而B、C、D组，其氮素以其他形式脱除。
结果表明，通过上述方法，能够定量河道生态系统沉积物-水界面、水-气界面、水生植物、微生物等的氮素迁移转换，研究氮素归趋。
实施例4(考察模拟河道实验装置中不同生态修复手段下亚硝态氮的归趋)
模拟原位河道氮归趋的装置包括：1.储水池 2.恒流泵 3.进水阀 4.进水槽 5.取水口 6.取泥器 7.出水口 8.出水槽 9.溶解氧探头 10.pH探头 11.温度探头 12.活动式顶盖 13.静态采气箱 14.采气口 15.活动式隔板 16.卤素灯 17.显示器 18.计算机主机
具体实验步骤如下：
(1)将取自常州武进红旗河沉积物和河水装入实验装置内部，调整至合适高度，使水土界面与沉积物取样口相平齐，在外侧包裹铝箔纸使其侧面呈现遮光状态；
(2)将可拆卸式顶盖12覆盖于模拟河道装置上方，按下活动式隔板15，将实验装置分割为A、B、C、D四个独立的隔间,其目的在于将模拟装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组；并且用封口膜将顶盖上静态采气箱的采气口密封；
(3)用制备的载体富集氮循环菌，用细孔网袋包裹氮循环菌载体，投放到水体之中，可向水体和沉积物内释放氮循环菌；
(4)选取一定量长势良好的金鱼藻，每株植物长约10cm，均匀种植在沉积物上，待水生植物生长茁壮后进行实验；
(5)向实验装置内添加同位素标记的15NO2 -盐1mg,在室温条件下对实验装置进行24h培养，采集水样用膜接口质谱仪测定氮气28N2、29N2、30N2，计算N2排放通量；
(6)利用装置上部的采气箱采集气体，气相色谱测定N2O浓度，计算得出N2O的释放通量；
(7)采集实验装置内伊乐藻样品，将植物样粉碎，过筛，同位素比质谱仪测定植物样中15N同位素丰度；
(8)采集实验装置内沉积物样品，将沉积物样粉碎，过筛，同位素比质谱仪测定沉积物中15N同位素丰度；
(9)实验设置如下：
A隔间装置(仅添加沉积物)步骤：(1)、(2)、(5)、(6)、(8)
B隔间装置(沉积物+氮循环菌)步骤：(1)、(2)、(3)、(5)、(6)、(8)
C隔间装置(沉积物+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
D隔间装置(沉积物+氮循环菌+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)
各隔间内N2的排放通量如图9所示，经过生态修复处理B、C、D组N2排放通量相较于裸泥组A排放通量高；N2O的排放通量如图10所示，经过生态修复处理的N2O排放通量增加。这说明生态修复加强了脱氮微生物的活性，促进氮素以气体形式释放。
图12显示了植物中可检测出的15N占加入15N总量的百分比，可以看出植物吸收是氮素去除的主要形式之一。
图11显示了沉积物中可检测出的15N占加入15N总量的百分比，图13显示了水体中可监测到的15N占加入15N总量的百分比。可以看出裸泥组由于没有经过生态修复处理，其中氮素会留存与水体和沉积物中。
结果表明，通过上述方法，能够定量河道生态系统沉积物-水界面、水-气界面、水生植物、微生物等的氮素迁移转换，研究氮素归趋。
实施例5(考察不同生态修复手段下，模拟河道实验装置中的河道沉积物反硝化细菌丰度的变化)
模拟原位河道氮素归趋的装置包括：1.储水池 2.恒流泵 3.进水阀 4.进水槽 5.取水口 6.取泥器 7.出水口 8.出水槽 9.溶解氧探头 10.pH探头 11.温度探头 12.活动式顶盖 13.静态采气箱 14.采气口 15.活动式隔板 16.卤素灯 17.显示器 18.计算机主机
具体实验步骤如下：
(1)将取自无锡贡湖亲水河沉积物和河水装入实验装置内部，调整至合适高度，使水土界面与沉积物取样口相平齐，在外侧包裹铝箔纸使其侧面呈现遮光状态；
(2)将可拆卸式顶盖12覆盖于模拟河道装置上方，按下活动式隔板15，将实验装置分割为A、B、C、D四个独立的隔间,其目的在于将模拟装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组；并且用封口膜将顶盖上静态采气箱的采气口密封；
(3)用制备的载体富集氮循环菌，用细孔网袋包裹氮循环菌载体，投放到水体之中，可向水体和沉积物内释放氮循环菌；
(4)选取一定量长势良好的伊乐藻，每株植物长约10cm，均匀种植在沉积物上，待水生植物生长茁壮后进行实验；
(5)在室温条件下对各组实验装置进行四周的培养，实验期结束后，采集装置内的沉积物样品，采用q-PCR方法测定沉积物物中的反硝化功能基因NirS的拷贝数，NirS基因是异化亚硝酸盐还原酶功能基因，能够特异性的反映出反硝化细菌。
(6)实验装置设置如下：
A隔间装置(仅添加沉积物)步骤：(1)、(2)、(5)
B隔间装置(沉积物+氮循环菌)步骤：(1)、(2)、(3)、(5)
C隔间装置(沉积物+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(4)、(5)
D隔间装置(沉积物+氮循环菌+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)
实验装置的培养时间约4周，待培养稳定后，实验装置内的沉水植物根系长成、氮循环菌充分扩散到水体与沉积物中，培养阶段结束。
取样测定，实验结果如图14所示。对比4个处理组的NirS反硝化功能基因拷贝数的变化，发现经过生态修复的处理组，功能基因拷贝数有明显的变化。即随着培养时间的增加，由于生态修复处理的不同，4个不同处理组中的反硝化细菌出现了差异性的变化。具体表现为NirS的拷贝数最低值为1.02×107copies g-1，最高值为4.42×107copies g-1soil；功能基因最低值和最高值分别发生在裸泥组A和沉水植物+氮循环菌联用的处理组D中。表明生态修复手段的采用较大程度的丰富了沉积物中反硝化细菌的丰度。
实施例6(不同生态修复手段下，模拟河道实验装置中的河道沉积物微生物群落的变化)
模拟原位河道氮归趋的装置包括：1.储水池 2.恒流泵 3.进水阀 4.进水槽 5.取水口 6.取泥器 7.出水口 8.出水槽 9.溶解氧探头 10.pH探头 11.温度探头 12.活动式顶盖 13.静态采气箱 14.采气口 15.活动式隔板 16.卤素灯 17.显示器 18.计算机主机
具体实验步骤如下：
(1)将取自无锡贡湖亲水河沉积物和河水装入实验装置内部，调整至合适高度，使水土界面与沉积物取样口相平齐，在外侧包裹铝箔纸使其侧面呈现遮光状态；
(2)将可拆卸式顶盖12覆盖于模拟河道装置上方，按下活动式隔板15，将实验装置分割为A、B、C、D四个独立的隔间,其目的在于将模拟装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组；并且用封口膜将顶盖上静态采气箱的采气口密封；
(3)用制备的载体富集氮循环菌，用细孔网袋包裹氮循环菌载体，投放到水体之中，可向水体和沉积物内释放氮循环菌；
(4)选取一定量长势良好的伊乐藻，每株植物长约10cm，均匀种植在沉积物上，待水生植物生长茁壮后进行实验；
(5)在室温条件下对各组实验装置进行两个月的培养，实验期结束后，采集装置内的沉积物样品，采用Miseq方法测定其中的微生物群落组成。
(6)实验装置设置如下：
A隔间装置(仅添加沉积物)步骤：(1)、(2)、(5)
B隔间装置(沉积物+氮循环菌)步骤：(1)、(2)、(3)、(5)
C隔间装置(沉积物+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(4)、(5)
D隔间装置(沉积物+氮循环菌+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)
实验装置的培养时间为2个月，待培养稳定后，实验装置内的沉水植物根系长成、氮循环菌充分扩散到水体与沉积物中，培养阶段结束。
取样测定，实验结果如图15所示。从图中可以看出，经过生态修复处理后的沉积物样品，微生物的物种丰富度有明显的增加。Proteobacteria(变形菌门)是细菌中最大的一个门，从中可以间接反映沉积物中反硝化细菌和氨氧化细菌的丰度。Planctomycetes(浮霉菌门)可以特别地反映厌氧氨氧化细菌的存在，从图中，可以看出不同生态修复处理，大大增加了浮霉菌门的物种组成比例，可以一定程度地反映出厌氧氨氧化细菌的丰富度。同时，还发现如Acidobacteria(酸杆菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、chloroflexi(绿弯菌门)、Actionobacteria(放线菌门)、Cyanobacteria/chloroplast(蓝藻细菌门)，这些都是自然沉积物中非常重要的细菌，它们的存在增加了沉积物中微生物丰富度，为脱氮提供了前提条件。
实施例7(考察模拟河道实验装置，在不同生态修复手段下沉积物TN浓度随深度的变化的关系)
模拟原位河道氮归趋的装置包括：1.储水池 2.恒流泵 3.进水阀 4.进水槽 5.取水口 6.取泥器 7.出水口 8.出水槽 9.溶解氧探头 10.pH探头 11.温度探头 12.活动式顶盖 13.静态采气箱 14.采气口 15.活动式隔板 16.卤素灯 17.显示器 18.计算机主机
(1)将取自无锡贡湖亲水河沉积物和河水装入实验装置内部，调整至合适高度，使水土界面与沉积物取样口相平齐，在外侧包裹铝箔纸使其侧面呈现遮光状态；
(2)将可拆卸式顶盖12覆盖于模拟河道装置上方，按下活动式隔板15，将实验装置分割为A、B、C、D四个独立的隔间,其目的在于将模拟装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组；并且用封口膜将顶盖上静态采气箱的采气口密封；
(3)用制备的载体富集氮循环菌，用细孔网袋包裹氮循环菌载体，投放到水体中，可向水体和沉积物内释放氮循环菌；
(4)选取一定量长势良好的伊乐藻，每株植物长约10cm，均匀种植在沉积物上，待水生植物生长茁壮后进行实验；
(5)在室温条件下对各组实验装置进行两个月的培养，对垂直方向上沉积物总氮进行测定。
(6)实验装置设置如下：
A隔间装置(仅添加沉积物)步骤：(1)、(2)、(5)
B隔间装置(沉积物+固定化氮循环菌)步骤：(1)、(2)、(3)、(5)
C隔间装置(沉积物+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(4)、(5)
D隔间装置(沉积物+固定化氮循环菌+沉水植物)步骤：(1)、(2)、(3)、(4)、(5)
实验装置的培养时间为2个月，待培养稳定后，实验装置内的沉水植物根系长成、氮循环菌充分扩散到水体与沉积物中，培养阶段结束。
通过装置下部的取泥器采集沉积物样品，实验结果如图16所示。裸泥组表层沉积物TN浓度较其它3组进行生态修复的装置沉积物TN浓度高；在垂直方向上，总氮浓度随着深度的增加而降低，4个处理组总氮浓度随深度的增加而区域相等，说明在沉积物-水界面是氮素循环的主要场所。

Claims (5)

1.一种模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置，其特征在于，包括依次相连的进水装置、模拟河道实验装置和检测装置；
所述进水装置包括依次相连的储水箱、恒流泵和进水阀；
所述模拟河道实验装置为有机玻璃组成的带可拆卸顶盖的透明长方体，底部铺设河道沉积物，该实验装置分为三个区域：进水区、模拟河道、出水区，之间由有机玻璃相分隔，有机玻璃面上有网孔，进水时，恒流泵将河水通过进水阀泵入进水区，河水通过小网孔进入模拟河道内，从而不会扰动底部的沉积物；出水时，出水区内的水通过出水阀流出；河道沉积物是拟研究的任何水体沉积物，铺设厚度为0.4m，以满足实验对沉积物采集的需要；
可拆卸顶盖上设有一个以上活动式隔板，按下活动式隔板，从而将实验装置分为不同隔间；顶盖另设有一个以上气体静态采集箱，与活动式隔板相互交错设置，采气箱上部设置采气口；
所述实验装置每个隔间外侧底部垂直方向上还设置有一个以上取泥口，用于采集在垂直方向上的多个底泥样品；取泥口上方还设置有一个以上取水口，用于采集不同高度上覆水样品；
所述检测装置包括依次相连的监测探头、计算机主机和液晶显示屏；所述监测探头包括温度探头、pH计探头和溶氧探头，该监测探头将采集的温度、pH和溶解氧数据实时传输到计算机主机，并在显示器上显示。
2.根据权利要求1所述的模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置，其特征在于，可拆卸顶盖上设置3个活动式隔板，每隔0.5m设置一个；按下活动式隔板，从而将实验装置分为A、B、C、D四个隔间。
3.根据权利要求1所述的模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置，其特征在于，所述采气箱为直径10cm，高10cm的圆柱体，采气箱上部设置一个直径4cm的采气口。
4.根据权利要求1~3任一所述的模拟并测定河道生态系统氮素归趋的装置，其特征在于，所述模拟河道实验装置上方还设置有外加光源，在外界光照不足时用于满足植物生长的光照需要，装置外侧包裹铝箔纸以避光。
5.基于权利要求1所述的装置模拟并测定河道生态系统氮素归趋的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）实验装置分为A、B、C、D四个隔间，其目的在于将实验装置分为裸泥组、氮循环菌组、沉水植物组和氮循环菌+沉水植物组；并且每个隔间有独立的取水口和取泥口，从而模拟不同生态修复手段下氮归趋；
（2）装置内原位河道沉积物的添加：通过采泥器采集原位河道的沉积物，迅速运回实验室进行转移，在模拟河道实验装置内铺设河道沉积物，厚度为40cm，水土界面与第一个沉积物取泥口相平齐；
（3）装置内水环境的构建：采集实验河道河水存储于储水箱内，进水时，恒流泵将河水通过进水阀泵入进水区，通过布水槽均匀布水，以保证注水过程中柱内沉积物不受扰动；
（4）植物的选取：根据江南河道实际水生植物状况，选取适宜的沉水植物，将沉水植物均匀种植在装置内原位沉积物中，使沉水植物的生物量达到100g/m2左右，每株植株高度为10cm，选取长势较好的伊乐藻、金鱼藻、马来眼子菜、微齿眼子菜作为研究对象；
（5）固定化氮循环菌的制备：用制备的载体富集四种氮循环菌，分别为氨氧化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌，将富集四种氮循环菌的固定化载体以细孔网袋包裹，其可向水体和沉积物中释放氮循环菌；
（6）检测分析：装置内的监测探头与计算机主机相连，通过其进行数据处理，并在显示器上显示，定期监测模拟河道装置水体和沉积物的pH、DO、TP、TN、 NH4 +、NO3 -、NO2 -、溶解性N2数据。
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