应用案例

PI5131-i N₂O（揭秘水体 N₂O 排放之谜 —— 新一代 PI5131-i N₂O 同位素分析仪，助力 N₂O 排放机制研究）

发表时间：2025-05-21

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背景介绍

N₂O 是仅次于 CO₂ 和 CH₄ 的第三重要温室气体，其在大气中的含量虽低于前两者，却有着极强的增温潜势，约为 CO₂ 的 300 倍，对全球气候变化的影响不容小觑。水体作为 N₂O 排放的关键源区，无论是自然水体（如，海洋、湖泊、河流等），还是有人为干预的水体（如，水库、养殖塘、污水处理厂等），均是 N₂O 排放的热点区域（图 1）。不同水体由于其含氧量及氮素含量的差异，从而导致目前对于水体 N₂O 排放的估算存在比较大的不确定性。准确的 N₂O 浓度和同位素观测数据，有助于准确量化水体 N₂O 的排放，加深对于 N₂O 排放机制的认识，从而促进对于全球氮循环的研究，以及全球温室气体减排策略的制定。上篇公众号文章中我们介绍了 Picarro N₂O 同位素分析仪在土壤 N₂O 排放中的应用，本文将重点介绍 Picarro N₂O 同位素分析仪在水体 N₂O 排放监测中的应用。

图 1 - 全球湖泊和水库 N₂O 排放核算图

应用介绍

Erler et al., (2015) 将 Picarro G5101-i N₂O 同位素分析仪与水气平衡装置结合，实现了对于水中溶解 N₂O 浓度和同位素（δ¹⁵N-N₂O）的连续在线原位观测。为了应对水中溶解的其他气体可能对于 N₂O 浓度及同位素测量的干扰，Erler 在气体进入分析仪前对气体进行了一些列的处理，分别采用 Ascarite^TM Pt 和 Cu 来移除 CO₂ 、CO 和 H₂S。并通过一系列实验，定量了 O₂、CH₄ 和 N₂O 浓度对 δ¹⁵N-N₂O 测量的影响，并建立了相应的校正方程。此外，还通过实验室和现场测试，验证了基于 Picarro N₂O 同位素分析仪搭建的在线观测系统与传统 IRMS 技术之间有较强的一致性，是进行在线水中溶解 N₂O 同位素观测的最佳选择。

图 2 - 基于 Picarro G5101-i 搭建的原位在线实时观测水中溶解 N₂O 浓度及同位素监测系统

Peng et al., (2014) 利用 Picarro G5101-i N₂O 同位素分析仪，对废水处理过程中的不同溶解氧（DO）浓度下，排放的 N₂O 同位素组成进行了观测。通过对 SP 值的解析，发现 N₂O 的产生主要来源于氨氧化细菌（AOB）的反硝化作用和羟胺（NH₂OH）氧化作用，且 DO 浓度对这两种途径的相对贡献有重要影响。实现了这两种途径对 N₂O 产生的贡献比例的拆分，揭示了 DO 浓度对 N₂O 产生机制的影响。

图 3 - N₂O 的 δ¹⁵N_bulk 和 SP（位置偏好）与 DO 浓度的关系图（Lai et al., 2014）

香港科技大学（广州）团队利用 Picarro G5131-i N₂O 同位素分析仪、小样品进样模块 SSIM2 以及配备低温吹扫捕集模块的自动进样器搭建了测量水中溶解 N₂O 同位素的系统（图 4），并基于该系统对富营养河口、水产养殖及废液处理过程中的 N₂O 产生机制进行了研究。

图 4 - 基于 Picarro G5131-i 和小样品进样模块搭建的观测水中溶解 N₂O 浓度及同位素的在线原位观测系统 (Ji and Grundle, 2019)

Zheng et al., (2024) 利用上述系统，在珠江口中游的虎门开展了为期 2 年的实地采样测定，探讨了 N₂O 生成以及氨氧化过程的季节性变化。结果显示，4 月至 11 月间，N₂O 生成活跃，氨氧化为主要 N₂O 产生途径。尽管水体溶氧含量较高，反硝化作用依然贡献了 N₂O 排放量的 20-40%。在冬季微生物活力下降，N₂O 生成较慢。该研究为进一步认识河口和近海 N₂O 生成的机制提供了定量的观测结果。

Wang et al., (2024) 利用上述系统，结合 ¹⁵N 标记技术，分析了中国南方三种水产养殖塘的 N₂O 排放机制。结果表明，养殖塘 N₂O 排放速率（6–70 µmol-N m^-2 d^-1）显著高于自然水体，且南美白对虾塘排放最高，主要源于反硝化作用（亚硝酸盐不完全还原），其中沉积物贡献大于水体。研究证实饲料投喂量是关键驱动因素，建议优化养殖管理以减少 N₂O 排放。该研究为水产养殖的温室气体减排提供科学依据。

Jia et al., (2024) 利用上述系统对两阶段部分硝化-厌氧氨氧化/反硝化（PNA/D）工艺处理中高氨氮食品废液消化液（LD）过程中的 N₂O 同位素组成进行了精确测定，研究发现，该工艺能高效去除 95%的氮，其中厌氧氨氧化贡献 75%脱氮，并首次证实硫酸盐和铁还原可耦合氨氧化（Sulfammox/Feammox），贡献额外 20%脱氮。通过微生物群落分析和功能基因表达研究，揭示了 PNA/D 系统中微生物的相互作用和代谢途径，为低碳废水处理提供了新思路，同时为揭示食品废液处理过程中 N₂O 的产生途径提供了关键数据支持。

图 5 - 两阶段硝化-厌氧氨氧化/反硝化（PNA/D）工艺流程图

相关参考文献

【1】Picarro N₂O 同位素分析仪测量水中溶解 N₂O 同位素可行性评估：

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

【2】溶解氧对于 N₂O 产生机制的研究：

http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2014.08.009

【3】水中溶解 N₂O 及其同位素组成的自动化观测系统：

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

【4】富营养河口 N₂O 产生机制研究：

https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2024.116528

【5】水产养殖 N₂O 来源解析：

https://doi.org/10.1016/j.wroa.2024.100249

【6】食品废液处理过程中 N₂O 的产生途径解析：

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 是专门为高精度 N₂O 同位素测量而设计的分析仪，可同时测量 N₂O、δ¹⁵N_bulk、δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β 和 δ¹⁸O。PI5131-i 具有如下特点和优势：

实现大气浓度下的高精度测量，10 min 测量精度：N₂O 浓度 <
0.05 ppb；δ¹⁵N_bulk、δ¹⁵N_α、δ¹⁵N_β < 0.7‰；δ¹⁸O < 0.7‰；
能够同时测定 N₂O 中的位点特异性及整体 δ¹⁵N 和 δ¹⁸O 测量；
无制冷剂，连续运行，可进行现场和实验室部署。

PI5131-i 在维持 G5131-i 高精度测量的基础上，从仪器的耐用性、持久性，以及用户的易用性等方面进行了一系列的升级。

外观升级：从 G5131-i 的双机箱设计升级至了 PI5131-i 的单机箱设计，增加了安装、运输的可靠性；

操作系统升级：从 Windows 升级至 Linux，提高了系统的稳定性；

优化光学系统：优化了压电陶瓷的设计、新增的机械增强型腔体底板设计和加压密闭箱，增加了光学系统的稳定性和耐用性；

增加远程可调整性：增加了先进的光学控制，使得光路的远程调整变成可能，从一定程度上避免了返场的需要；

数据传输方式：支持更多的数据传输方式，提供给用户更多的选择。