温室气体NO发射过程中的同位素信号

温室气体N2O发射过程中同位素信号

中国农业大学齐孟文温室气体NO发射过程中的同位素信号第1页氧化亚氮（N2O）是主要温室气体之一，温室效应潜能是CO2300多倍，在大气中寿命可达140多年，和溴氧光化学作用会致对流层溴氧层破坏，在大气平流层中，N2O浓度已从前工业化时期270PPb，增加当前324PPb（），当前尚以0.2-0.3%速度增加。氧化亚氮发射主要来自环境生态圈，由自养微生物硝化作用和异养微生物反硝化作用形成，其中人为活动贡献大约占三分之一，但对其浓度增加含有主要影响。鉴于环境生态复杂性和多样性，以及所研究空间尺度不一样，所以在利用相关天然同位素信号，进行氧化亚氮发射过程及其源库配分等研究中，存在着发射源指纹特征不明确，所以发射源同位素信号相互叠加，协同过程不能明确区分困难，给其测定和估算带来很大不确定性，当前改进办法除了在检测上需要发展空间和时间上实时动态检测技术外，在数据解析上，需要深入增加同位素约束信号，所以除了N2O容积15N和18O信号外，新发觉N2O分子内15N分布或位置歧视信号，能够增加另外约束维度。温室气体NO发射过程中的同位素信号第2页

N2O是一个非对称线性分子，所以有两种同位素同分异构体，分别称为位（中间）14N15NO和位（未端）15N14NO，位置歧视信号主要和反应过程相关，而和底物同位素丰度基本无关，所以它不但能够提供新约束维度，主要是其含有过程表征,所以为氧化亚氮发射研究提供了一个强有力工具。温室气体NO发射过程中的同位素信号第3页

1.基本计量关系1）基本定义式

按照同位素传统定义，N2O位和位15N丰度比值定义为

（1）

（2）

其中，

是第i位置上15N原子百分数，而15N同位素同分异构体（isotopomers）14N15N16O和15N14N16O百分数为

和

温室气体NO发射过程中的同位素信号第4页

乘以（1）和（2）分子和分母，则有

（3）

（4）

式中，括号表示对应同位素同分异构体分子浓度，即对应位置原子分数比相当于对应分子浓度比。

容积同位素比为

（5）温室气体NO发射过程中的同位素信号第5页

一样对于氧单取代对应同位素比，有

（6）

（7）

用传统delta表示，有

（8）

式中，iX代表不一样核素同位素（如15N，17O，18O），R是同位素比值，下角标smp和std分别为样品和标准，N标准为空气中N，氧标为VSMOW，

温室气体NO发射过程中的同位素信号第6页

所以

（9）

（10）

15N位置偏置定义为

（11）

温室气体NO发射过程中的同位素信号第7页

2）测量方法及计量同位素质谱法

传统方法是用多量筒同位素比率质谱仪，同时测定（N2O+）分子离子质量为44，45和46离子束流，以及在离子源所产生碎片离子（NO+）其质量为30，31和32离子束流，进而由质量守恒关系进行相关计量，有（12）

（13）

（14）

（15）

温室气体NO发射过程中的同位素信号第8页

式中，45R和

46R分别表示测量得到，

分子离子质谱峰比为45/44和46/45，45R，45R

，

17R和18R分别是14N15N16O+

，15N14N16O+

，14N14N17O+

，

14N14N18O+对14N14N18O+

比值。

从以上联立方程，由测定值可求解得到45R，45R

，17R和18R,然而因为32R测定常受不稳定背景值

O2+干扰，所以惯用下式替换方程（15），即

（16）

参考文件

[1]SakaeToyoda.Anal.Chem.1999,71,4711-4718[2]SakaeToyoda.Atmos.Meas.Tech.,9,2093–2101,

温室气体NO发射过程中的同位素信号第9页近红外光谱法

基于同位素同分异构体分子振/转能级不一样，用其近红外光谱进行测定，惯用能够调谐两束激光2188cm-1和2203cm-1级联激发近红外光谱测定N2O同位素同分异构体，即546,456,448和446，进而给出对应测定值。

Figure1.Measured(bluedots)andfitted(redline)

spectraforlaser1(2188cm−1)andlaser2(2203cm−1).

参考文件[1]ElizaHarris.Anal.Chem.,86,1726−1734温室气体NO发射过程中的同位素信号第10页

2.N2O发射过程

农业土壤是N2O主要发射源，大约占大气人源性贡献69%，而土壤中N2O发射主要因为微生物过程，包含硝化（氨氧化和硝化反应）及硝酸盐异化（反硝化和硝化反硝化），N2O作为中间物或最终产物发射到大气中，过程见下列图。

图2.土壤中N2O发射可能路径温室气体NO发射过程中的同位素信号第11页

1）硝化nitrification

图3.硝化过程及所包括其酶温室气体NO发射过程中的同位素信号第12页自养硝化Autotrophicnitrification

硝化是NH4+或NH3经由NO2-氧化为NO3-过程，由硝化菌科两群硝化细菌分两步完成，第一步为氨氧化，直到NO2-都是由氨氧化菌完成，第二步为亚硝酸氧化，由NO2-氧化菌完成。硝化菌科细菌大多数是好气菌，其从铵或亚硝酸氧化过程中取得能量用以固定二氧化碳，但它们利用能量效率很低，在同化二氧化碳时，需要氧化大量无机氮化合物。N2O是NH3氧化为N2O-过程中间物NH2OH或N2O-本身化学分解产生，被称之为化学硝化，有证据表明NH2OH不完全氧化会造成N2O发射。异氧硝化

与自养硝化底物、中间物和产物完全相同，但作用酶不一样，相比于细菌更普遍地发生于真菌，与传统反硝化细菌相对比，此过程在好氧条件下产生NO3-，当条件有利时，能够被异养硝化细菌反硝化，N2O作为NO2-还原为N2过程中间产物。温室气体NO发射过程中的同位素信号第13页2）反硝化denitrification

图4.反硝化过程及其相关酶

反硝化是NO3-被作为替换O2电子受体,被逐步还原成N2过程，主要由一类广泛能异养兼性反硝化菌，在低氧或厌氧条件下完成，NO2作为中间调整产物能够被释放出来，在低PH(N2O还原酶被抑制)、低O2浓度(O2对N2O还原酶抑制作用比其它反硝化还原酶大，但在高O2浓度反硝化菌厌氧代谢加强，NO3-反硝化不能发生)、充分NO3-（NO3-作为电子受体优先于N2O）和有可代谢有机碳环境，有利于N2O释放。温室气体NO发射过程中的同位素信号第14页

3）硝化反硝化nitrifierdenitrification

图5.硝化和反硝化过程及可能酶

为一类群自养NH3-氧化细菌进行硝化过程，NH3首先被硝化氧化为NO2-，然后被反硝化还原成N2O和N2，N2O生产以NH2OH作为电子供体，能够在好氧或厌氧条件下完成，硝化反硝化所包括到酶本质上与NH3氧化和硝化过程相同，与硝化反硝化相对比是，偶联硝化和反硝化（couplednitrification-denitrification）不是一个单独过程，而是在有利于硝化和反硝化同时发生条件下,由不一样种类微生物共同完成。温室气体NO发射过程中的同位素信号第15页

4）异化硝酸盐还原氨化（dissimilatorynitratereductiontoammonium）NO3-首先被还原成NO2-，然后再被还原成NH4+同时放出N2O,该过程可能主要是为了躲避NO2-浓度毒害作用。

参考文件N.wrage.SoilBiology&Biochemistry,33()1723-1732温室气体NO发射过程中的同位素信号第16页

3.N2O同位素指纹N2O发射主要由硝化或反硝化过程引发，利用自然同位素丰度容积同位素15Nbluk，双同位素15N和18O,和偏同位素SP信号，是当前在生态尺度上研究N2O源配分和发射过程主要伎俩。容积同位素15Nbluk能够示踪N2O底物，但不能准确区分硝化和反硝化过程，双同位素引入了对应过程中相关氧原子起源信息，所以能够大致区分硝化和反硝化过程，而偏同位素SP普通与底物同位素信息无关，主要由过程决定，所以更准确区分过程提供了伎俩。温室气体NO发射过程中的同位素信号第17页

N2O容积同位素指纹

不一样底物，诸如化肥、天然土壤、耕地和圈肥δ15Nbluk有显著不一样。δ15Nbulk能够特征土壤基质指纹,但反应路径和进程对其有不一样影响，硝化过程同位素分馏效应普通大于反硝化，所以N2Oδ15Nbulk更贫化,在反硝化过程，δ15Nbulk还取决于因为N2O深入还原为N2进程，进而15N富集在未反应N2O中。

N2O双同位素指纹N2O分子氧来自水或空气而含有不一样18O，土壤空气为+23.5‰，水为-10‰，所以除了δ15N，18O提供了对N2O反应路径另一个约束维度。硝化过程中氧来自于介质空气和水，好气硝化N2Oδ18O范围为+13‰～+35‰,反硝化过程中，N2OO来自土壤H2O，其δ18O普通低于NO3-值。经由NH2OH氧化路径（Frameet，al）,N2OO来自土壤空气，而异养微生物硝化反硝化或反硝化过路径，N2OO来自土壤水和空气，N2Oδ18O主要取决其主要前体NO2-δ18O。温室气体NO发射过程中的同位素信号第18页

图6.不一样底物中δ15N，18O分布。a.雨中NO3-,b.未开垦土壤上大气沉降NO3-，c.肥料NO3-，d.肥料NH4+，e.土壤N，f.圈肥温室气体NO发射过程中的同位素信号第19页

N2O分子内15N偏置指纹

N2O分子内15N分布偏置SP，主要取决于微生物功效群落和产生过程，与底物自然丰度关系不大，而且主要与其前体NO还原机制相关，若经由平行对称中间体（细胞色素还原酶NOR）路径，如连二次硝酸盐-ONNO-裂解，因16O-14N键优先6O-15N裂解,造成产物N2O种15N(SP0)富集，而经由次序形成机制路径（P450铁硫蛋白），对SP影响不大。在反硝化过程中，N2O为中间物，其深入还原为N2过程中，因为15N-O键强度大于14N-O,15N14NO优先14N15NO消耗，所以剩下N2O中15N富集而SP增大，SP普通还与N2O/N2比值相关。N2OSP能够用于区分反硝化过程中真菌与细菌作用，真菌SP范围为（21.9-36.08‰），而细菌为（-11-0.8‰）（LenaRohe,）,其原因是二者还原酶（NOR）不一样，分别为（cnor对p450nor）,在铵氧化过程中，经由NH2OH硝化形成N2O,其经验SP值分别为+33‰,而对NO2-N2O反硝化路径，则N2OSP为-0.8‰。所以SP能够用于确定微生物过程和酶作用机制。

温室气体NO发射过程中的同位素信号第20页

概括而言，δ15Nulk,δ18OandSP在硝化过程中经验值分别为−7.87‰,48.03‰和24.14‰,而在反硝化过程值分别为−29.29‰,19.78‰,and2.43‰,较之硝化过程低很多。

图7.硝化与反硝化过程N2Oδ15Nulk,δ18OandSP经验值

参考文件ZhongshengZhang.ActaEcologicaSinica36()356–360温室气体NO发射过程中的同位素信号第21页4.N2O实时测定技术N2O同位素信号可指示其发射过程，然而其随微生物环境在空间和时间上是改变，所以发展田间原位实时监测尤为主要。采取量子级联激光15N光谱（quantumcascadelaser-based15NSpectroscopicTechnique）实时测定，结合“Keelingplot”进行计量，能够有效地防止环境空气背景干扰，准确地确定N2O同位素信号。