一种水体悬浮物反硝化速率的测定方法与流程

1.本发明涉及环境监测装置技术领域，尤其涉及一种直接测定水体悬浮物反硝化速率的方法。


背景技术：

2.水体悬浮物因富含营养物质和微生物，是反硝化发生的热点区域。目前反硝化速率测定方法包括乙炔抑制法、氮素质量平衡法、硝态氮损耗法、
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n同位素示踪法等。这些测定方法都是间接方法，而且不能测定出水体悬浮物反硝化速率，并且各自都存在缺陷。乙炔抑制法成本低、方法简单，但是样品易污染，会出现低估反硝化损失量等问题。同位素示踪法通常在采集气体后曝氧气将培养装置内时间间隔中产生的
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n2吹出，由于氧气一直处于饱和状态，会影响水体及沉积物中的生物活性，且需要进行多步处理，任务繁多，该方法成本也较高。氮素质量平衡法和硝态氮损耗法在氮转化过程中多种误差累积易造成测定结果不准确。n2直接定量法和n
2/
ar法可以直接定量系统反硝化速率，但是不能测定出水体悬浮物的反硝化速率。n2直接定量法利用气体流动培养技术，将样品封入气密容器中用惰性气体冲洗，空气被he或ar气体所取代，再由气相色谱测封闭系统内反硝化过程产生的n2。该方法由于在培养系统的密闭性、气体采集的精确性及无污染方面存在很大的困难，尚有待优化。
3.因此，急需找到一种直接测定水体悬浮物反硝化速率的方法，使其能够简单、准确、有效的测定出水体悬浮物反硝化速率。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术的问题，从而提供一种便捷有效，可以直接、准确的测定水体悬浮物反硝化速率的方法。
5.为此，本发明采用如下技术方案。
6.本发明提供一种水体悬浮物反硝化速率的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.s1：随机选取待测水体点位采得柱样；
8.s2：对采得的柱样进行预培养；
9.s3：将预培养后的柱样放入水体模拟装置中培养，从培养开始取样后计时，每隔2小时取样；
10.s4：测定s3取得的样品中的溶解性n2浓度，把不同培养时间的n2浓度和培养时间做线性回归，得到回归线性方程；
11.s5：计算水体悬浮物单位反硝化速率和沉积物反硝化速率。
12.进一步地，步骤s1中，所述采得柱样的方法为，使用无扰动沉积物采样器将培养柱垂直打入待测水体的沉积物中，采集表层0-10cm原状沉积物柱样，保证沉积物保持其原有结构和层次，柱样上面的水保持溢满
13.所述柱样包括第一柱样、第二柱样、第三柱样和第四柱样，所述第一柱样和第三柱
样中悬浮物浓度相同，所述第而柱样和第四柱样中悬浮物浓度相同，所述第三柱样和第四柱样中包括相同成分和质量的沉积物。
14.步骤s2中，所述预培养为，将柱样放入装满柱样原位上覆水的容器中浸没4-6小时，所述容器中的水面高于柱样上表面6cm以上。
15.步骤s4中所述回归线性方程为y＝cx b，其中斜率c即为柱样中的n2浓度变化速率，单位为μmol n
2-n
·
l-1
·
h-1
。
16.进一步地，柱样中的反硝化速率de为：
[0017][0018]
v表示柱样中上覆水的体积，s表示柱样的内径面积。
[0019]
步骤s5中，根据权利要求6所述的测定方法，其特征在于，步骤s5中，所述单位质量悬浮物的反硝化速率d
ss
为：
[0020]
或
[0021]
或
[0022][0023]
优选地，
[0024][0025]
其中，d
e1
为第一柱样中的反硝化速率，d
e2
为第二柱样中的反硝化速率，d
e3
为第三柱样中的反硝化速率，d
e4
为第四柱样中的反硝化速率；m1表示第一柱样中的悬浮物质量，m2表示第二柱样中的悬浮物质量，m3表示第三柱样中的悬浮物质量，m4表示第四柱样中的悬浮物质量。
[0026]
步骤s5中，所述沉积物反硝化速率d
泥
为：
[0027][0028]
其中，h为柱样内水体高度，h为柱样内水体和沉积物的总高度。
[0029]
本发明技术方案，具有如下优点：
[0030]
(1)本发明的测定方法将培养装置和膜进样质谱法(mims)结合。利用采集装置采集原位水体及沉积物，置于水体模拟装置中模拟培养，应用膜进样质谱法直接测定水样中的溶解性氮气，其测定精度可达0.03％。通过不同培养时间n2浓度和时间做线性回归计算反硝化速率，实现密封条件下水体悬浮物反硝化产物n2的直接测定，
[0031]
(2)本发明测定方法简单，基于水体模拟装置所模拟的水体更符合原位条件，能够确保悬浮物处于悬浮状态、柱内所产氮气混合均匀，可以得到水体悬浮物的单位反硝化速率，以及沉积物的反硝化速率，同时不受野外环境突变的影响。
[0032]
(3)本发明测定方法无需引入
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n等标记物质，不需使用抑制剂，对自然环境的研究具有重要意义，并且减少了成本，同时本发明操作简便、步骤少，便于进行推广。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明实施例中使用的水体模拟装置；
[0035]
图2为本发明实施例1中用于测试的四个柱样的示意图；
[0036]
图3为本发明实施例4柱样中氮气浓度和时间的标准曲线。
[0037]
附图标记说明：
[0038]
1、电机；2、磁力转动件；3、挡板；4、出水口；5、培养柱；6、出水管；7、进水管；8、止水夹；9、补给瓶。
具体实施方式
[0039]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0041]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0042]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0043]
本发明实施例中使用的水体模拟装置如图1所示，包括模拟培养桶、驱动组件和采集装置。其中模拟培养桶的顶部敞口且内盛装有上覆水，底部设有至少三个固定位，以便于做同一环境下的平行实验。驱动组件安装在设于模拟培养桶内的安装结构上，具有电机1和与电机1连接的磁力转动件2。采集装置放置于固定位上且没入模拟培养桶内的上覆水的液面以下，包括两端敞口且一端设有密封盖、另一端设有密封胶塞的培养柱5，一端固定于密封盖上、另一端朝向培养柱5内延伸的磁力搅拌机构以及并排贯通设置于密封盖的进水管7和出水管6，出水管6的出口与膜进样质谱仪的进样器连接，进水管7的进口与补给瓶9相连通，进水管7和出水管6上均设有止水夹8，磁力搅拌机构随磁力转动件2的转动而转动，在所述模拟培养桶的内壁面沿周向间隔设有多个沿径向朝向所述安装柱的外壁面延伸的挡板3，所述挡板3将所述模拟培养桶内分隔成多个不相通的隔间，任意所述隔间的底部设有三个所述固定位，所述模拟培养桶的外壁上对应每个所述隔间设有一个出水口4。
[0044]
实施例1
[0045]
本实施例测定常熟某一水产养殖水体的反硝化速率，具体步骤如下：
[0046]
(1)在待测水体随机选取点位进行采样，采样过程中使用无扰动沉积物采样器，将培养柱垂直打入待测河流或池塘的沉积物中，分别采集四组柱样，其中第一柱样和第三柱样中悬浮物浓度相同，所述第二柱样和第四柱样中悬浮物浓度相同，第一柱样和第二柱样中不包括沉积物，第三柱样和第四柱样中包括相同成分和质量的10cm原状沉积物，这四个柱样分别用a、b、c、d表示，每个柱样采集三个平行样。保证沉积物保持其原有结构和层次，柱样上面的水必须溢满。同时用干净塑料桶采取25l原位上覆水带回实验室用于培养。
[0047]
(2)柱样带回实验室后，将其放入装满原位上覆水的水体模拟装置中浸没4h进行预培养，水面要高出培养柱6cm，不盖盖子，以便模拟培养桶和培养柱中溶解性n2混合均匀。培养过程中，实验室温度需要调节至与野外取样时实际水温一致的温度。
[0048]
(3)预培养完成后，将密封盖伸到上覆水中将其拧紧，盖子下方设置有橡胶密封圈，可以保证其密封性，盖子中间还下挂一个小型磁铁转子，用于开始培养取样时搅拌上覆水。培养柱的盖子拧紧后，将进水管与放在较高位置的补给瓶相连，使得水在重力的作用下流出补给培养柱中由于取样流失的上覆水。将进水管中的空气排出后插入密封盖中，再插入出水管，待出水管中的空气排出后，关闭进水管和出水管上的止水夹。整个过程要确保密闭培养柱中没有气泡产生，如有气泡产生，需要按上述流程重新进行操作，开启培养装置中的电机，转动档位调节电机下部联接的三个磁棒的速度，磁棒的转动可以带动培养柱盖子下挂的小型磁转子转动，从而使得培养装置可以模拟河水的流动，确保培养柱中悬浮物悬浮状态与野外水体原位悬浮状态一致，同时也可以混匀培养过程中培养柱中产生的溶解性气体，有利于测定更符合原位条件的反硝化速率。然后开启培养装置中的电机1，调节档位使磁力转动件2转速达350rpm左右。
[0049]
(4)开启水体模拟装置中的电机，调节档位使磁力转动件转速达350rpm，培养体系调试完毕后，分别在0、2、4、6、8h采样，以时间为横坐标，以n2浓度为纵坐标，得到四个柱样的斜率。
[0050]
(5)计算反硝化速率，将培养柱上覆水中n2浓度变化速率乘以上覆水的体积v＝1.10(l),再除以柱子的内径面积s＝0.005(m2)，即得反硝化速率de(μmol n2·
m-2
·
h-1
)
[0051]
这四个柱样，每个柱样三个平行样取平均值后的悬浮物浓度与反硝化速率如表1所示：
[0052]
表1样品反硝化速率和悬浮物含量
[0053]
样品abcd反硝化速率(μmol n2·
m-2
·
h-1
)28.0983.8852.2996.39悬浮物浓度(mg/l)991212
[0054]
上覆水的体积v为1.10l，则a和c的悬浮物质量分别为9.9g和13.2g。
[0055]
则该水体单位质量悬浮物的反硝化速率d
ss
(μmol n2·
m-2
·
h-1
·
mg-1
):
[0056][0057]
培养柱中上覆水高度h：
[0058][0059]
可得到水体中沉积物的反硝化速率d
泥
(μmol n2m-2
·
h-1
):
[0060][0061]
实施例2：
[0062]
本实施例测定常熟某一水产养殖水体的反硝化速率，具体步骤如实施例1所述。
[0063]
其测定出水体水样的反硝化速率和悬浮物含量如表2所示。
[0064]
表2样品反硝化速率和悬浮物含量
[0065]
样品ab反硝化速率(μmol n2·
m-2
·
h-1
)32.8748.84悬浮物质量(mg/l)1114
[0066]
上覆水的体积v为1.10l，则a、b的悬浮物质量分别为12.1g和15.4。
[0067]
则该水体单位质量悬浮物的反硝化速率d
ss
(μmol n2·
m-2
·
h-1
·
mg-1
):
[0068][0069]
实施例3
[0070]
本实施例测定常熟某一水产养殖水体的反硝化速率，具体步骤如下：
[0071]
(1)在待测水体随机选取点位进行采样，采样过程中使用无扰动沉积物采样器，将培养柱垂直打入待测河流或池塘的沉积物中，采集表层0-10cm原状沉积物柱样，保证沉积物保持其原有结构和层次，柱样上面的水必须溢满。同时用干净塑料桶采取25l原位上覆水带回实验室用于培养。
[0072]
(2)柱样带回实验室后，将其放入装满原位上覆水的水体模拟装置中浸没4h进行预培养，水面要高出培养柱6cm，不盖盖子，以便模拟培养桶和培养柱中溶解性n2混合均匀。培养过程中，实验室温度需要调节至与野外取样时实际水温一致的温度。
[0073]
(3)预培养完成后，将密封盖伸到上覆水中将其拧紧，盖子下方设置有橡胶密封圈，可以保证其密封性，盖子中间还下挂一个小型磁铁转子，用于开始培养取样时搅拌上覆水。培养柱的盖子拧紧后，将进水管与放在较高位置的补给瓶相连，使得水在重力的作用下流出补给培养柱中由于取样流失的上覆水。将进水管中的空气排出后插入密封盖中，再插入出水管，待出水管中的空气排出后，关闭进水管和出水管上的止水夹。整个过程要确保密闭培养柱中没有气泡产生，如有气泡产生，需要按上述流程重新进行操作，开启培养装置中的电机，转动档位调节电机下部联接的三个磁棒的速度，磁棒的转动可以带动培养柱盖子下挂的小型磁转子转动，从而使得培养装置可以模拟河水的流动，确保培养柱中悬浮物悬浮状态与野外水体原位悬浮状态一致，同时也可以混匀培养过程中培养柱中产生的溶解性气体，有利于测定更符合原位条件的反硝化速率。然后开启培养装置中的电机1，调节档位使磁力转动件2转速达350rpm左右。
[0074]
(4)开启水体模拟装置中的电机，调节档位使磁力转动件转速达350rpm，培养体系调试完毕后，分别在0、2、4、6、8h采样，以时间为横坐标，以n2浓度为纵坐标，得到斜率。如图3所示，a，b，c表示三个重复取样，其结果如表3所示：
[0075]
表3溶解性n2浓度与时间的相关性
[0076] abc回归方程y＝0.3394x 531.87y＝0.3337x 533.77y＝0.335x 534.75r20.97810.96060.9815
[0077]
(5)计算反硝化速率，如表4所示，常熟某一水产养殖水体的n2浓度变化速率为0.3337μmoln
2-n
·
l-1
·
h-1-0.3394μmoln
2-n
·
l-1
·
h-1
，不同样点时间空间变异性不大(cv＝0.89％)；
[0078]
表4常熟某一水产养殖水体的n2浓度变化速率
[0079][0080]
将培养柱上覆水中n2浓度变化速率乘以上覆水的体积v＝1.10(l),再除以柱子的内径面积s＝0.005(m2)，即得反硝化速率de(μmol n2·
m-2
·
h-1
):
[0081][0082][0083][0084]
从上面可以看出，3次重复取样得到的反硝化速率基本一致，说明本技术技术方案具有很高的一致性。
[0085]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。