修复石油污染土壤时可接受的外源氮用量--与农业生产的施氮量一致
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更新：2024-08-10 13:55:05
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口头报告
报告开始：2024年08月18日 10:55 （Asia/Shanghai）
报告时间：10min
所在会议：[S1] 专题一 农田氮循环与面源污染防控 » [S1-2] 专题一 农田氮循环与面源污染防控（8月18日上午）
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摘要
氮在生物圈和地球化学循环中发挥着至关重要的作用。氮对维持生物体功能、平衡生态系统、影响气候和环境以及支持人类农业生产至关重要。氮还能增强微生物的活性，加快污染物的分解，从而促进受污染土壤的生物修复，尤其适用于石油污染土壤的修复。由于石油碳氢化合物大量涌入土壤会破坏土壤的碳氮平衡，因此补充氮元素通常是对石油污染土壤进行生物修复的绿色且经济有效的方法。大量研究一致认为，添加营养元素可以通过提高本地微生物的生长和活性来显著促进碳氢化合物降解。
一般认为，最有利于微生物分解有机污染物的C/N比为100/5~100/10。许多研究根据土壤中石油碳氢化合物的碳含量，通过添加外源氮来调整土壤的C/N比。这些研究表明，土壤中石油碳氢化合物的浓度越高，外源氮的用量就越大。因此，在土壤受到严重碳氢化合物污染的情况下，需要引入大量的氮。然而，一些研究强调，高剂量的氮（C/N 比为100/10 ~ 100/15）并不一定能促进石油碳氢化合物污染的修复。Kundu等人发现，较低的养分剂量（N< 100 mg/kg）足以降解总石油烃 (total petroleum hydrocarbons, TPH) 含量低于5000 mg/kg的碳氢化合物，而超过1000 mg/kg的氮剂量通常无效。我们之前的研究表明，C/N比为100/10甚至会抑制 12320 mg/kg TPH污染土壤中碳氢化合物的降解。总体而言，石油污染土壤中碳氢化合物降解的最佳施氮量存在显著差异，因此有必要确定不同石油污染程度土壤修复可接受的施氮量。
在农业领域，一般推荐的最佳施氮量为120 ~300 kg/ha（约53~133 mg/kg）。Zhang等人的研究表明，冬小麦产量的最佳施氮量为180 ~ 240 kg/ha（约80 ~ 106 mg/kg）。此外，氮利用效率（NUE）主要通过氮农艺效率（NAE）和氮部分要素生产率（NPFP）来体现。然而，在石油污染土壤修复过程中，如何评估外源氮的有效利用，目前还没有明确的量化指标。此外，施氮会改变石油污染土壤的碳氮循环过程。在原油暴露条件下，微生物群落应获取有效氮等资源，同时在不利的土壤条件下生存。氨作为一种易于获得的无机氮形式，在硝酸盐异氨还原成铵和固氮过程中在受污染土壤中积累，为TPH降解异养菌的有效利用提供了基础。尽管有大量研究探讨了氮转化与碳氢化合物降解之间的关系，但石油污染土壤修复过程中的氮转化和利用率仍不清楚。本研究构建了修复两种（8553 mg/kg和17090 mg/kg）不同石油污染程度土壤的最佳外源氮利用模型，并研究了最佳施氮量对土壤生态功能和氮转化与利用的影响。本研究的目标是（1）探索修复碳氢化合物污染土壤的最佳施氮量；（2）研究外源氮在TPH生物修复中的有效利用水平和转化率；（3）揭示外源氮添加对土壤生态功能的影响；（4）阐明外源氮降解石油碳氢化合物的利用机制。
在本研究中，我们利用y=439.3x3-497.7x2+136.6x+21.75和y=19.72x3-45.04x2+18.91x+20.75 的单变量三次方程模拟了氮对 TPH 降解的有效利用。在不同的 TPH 污染水平下，TPH的降解率最初随着施氮量的增加而增加，然后随着施氮量的增加而降低。此外，利用这些方程和不同施氮量下的 TPH 降解率，确定了石油污染土壤的最佳耐氮量范围为 60 ~ 360 mg N/kg。研究结果表明，最佳氮剂量为136 mg N/kg，超过360 mg N/kg的高剂量氮对TPH降解无效。这些关于利用外源氮进行TPH修复的结果与农业作物生长对氮的需求是一致的。
根据评价农业氮肥利用率的“氮农艺效率（NAE）”和“氮部分因子生产率（NPFP）”，我们参照氮农艺效率和氮部分因子生产率的计算方法，分别评价了TPH降解过程中的施氮效率，即氮可利用效率（NAVE）和氮部分因子可利用效率（NPFA）。随着施氮剂量的增加，氮的可利用效率和氮的部分因子可利用度都有所下降。与施氮量 ≥272 mg/kg的处理相比，施氮量 ≤136 mg/kg的处理在氮素可利用效率和氮素部分因子可利用度方面具有显著优势。
相比之下，在本研究中，编码NO还原为N2O的基因（norB和norC）的丰度与对照组相比并无显著差异，但在添加 136 mg N/kg的氮处理中，nirK和nirS基因丰度仍显著升高。因此，本研究证实，与高氮处理相比，136 mg N/kg的施氮量能有效促进氮循环和碳氢化合物降解，而且还能抑制一氧化二氮的排放。
两种污染水平的土壤功能没有明显差异，但补氮会导致氮循环和碳转化功能基因丰度的波动。在石油污染土壤中补氮136 mg/kg后，与糖类生物合成和代谢以及能量代谢相关的途径丰度提高。这种增加表明，外源营养刺激了生物体，促使生物体在能量供应和代谢状态方面发生调节或适应性变化。此外，在遗传信息处理代谢途径中引入外源氮明显提高了翻译、复制和修复以及折叠、分类和降解等途径的丰度。这表明，136 mg N/kg的外源氮有助于微生物产生与石油降解相关的酶或其他蛋白质，以应对石油污染物诱发的细胞压力和毒性。因此，这种提高可增强碳氢化合物降解和细胞活力。这些研究结果表明，无论TPH的浓度如何，136 mg/kg的施氮量都是修复石油污染土壤的最佳剂量。用于TPH修复的外源氮施用量与农业作物生长对氮的需求量一致。
一般认为，最有利于微生物分解有机污染物的C/N比为100/5~100/10。许多研究根据土壤中石油碳氢化合物的碳含量，通过添加外源氮来调整土壤的C/N比。这些研究表明，土壤中石油碳氢化合物的浓度越高，外源氮的用量就越大。因此，在土壤受到严重碳氢化合物污染的情况下，需要引入大量的氮。然而，一些研究强调，高剂量的氮（C/N 比为100/10 ~ 100/15）并不一定能促进石油碳氢化合物污染的修复。Kundu等人发现，较低的养分剂量（N< 100 mg/kg）足以降解总石油烃 (total petroleum hydrocarbons, TPH) 含量低于5000 mg/kg的碳氢化合物，而超过1000 mg/kg的氮剂量通常无效。我们之前的研究表明，C/N比为100/10甚至会抑制 12320 mg/kg TPH污染土壤中碳氢化合物的降解。总体而言，石油污染土壤中碳氢化合物降解的最佳施氮量存在显著差异，因此有必要确定不同石油污染程度土壤修复可接受的施氮量。
在农业领域，一般推荐的最佳施氮量为120 ~300 kg/ha（约53~133 mg/kg）。Zhang等人的研究表明，冬小麦产量的最佳施氮量为180 ~ 240 kg/ha（约80 ~ 106 mg/kg）。此外，氮利用效率（NUE）主要通过氮农艺效率（NAE）和氮部分要素生产率（NPFP）来体现。然而，在石油污染土壤修复过程中，如何评估外源氮的有效利用，目前还没有明确的量化指标。此外，施氮会改变石油污染土壤的碳氮循环过程。在原油暴露条件下，微生物群落应获取有效氮等资源，同时在不利的土壤条件下生存。氨作为一种易于获得的无机氮形式，在硝酸盐异氨还原成铵和固氮过程中在受污染土壤中积累，为TPH降解异养菌的有效利用提供了基础。尽管有大量研究探讨了氮转化与碳氢化合物降解之间的关系，但石油污染土壤修复过程中的氮转化和利用率仍不清楚。本研究构建了修复两种（8553 mg/kg和17090 mg/kg）不同石油污染程度土壤的最佳外源氮利用模型，并研究了最佳施氮量对土壤生态功能和氮转化与利用的影响。本研究的目标是（1）探索修复碳氢化合物污染土壤的最佳施氮量；（2）研究外源氮在TPH生物修复中的有效利用水平和转化率；（3）揭示外源氮添加对土壤生态功能的影响；（4）阐明外源氮降解石油碳氢化合物的利用机制。
在本研究中，我们利用y=439.3x3-497.7x2+136.6x+21.75和y=19.72x3-45.04x2+18.91x+20.75 的单变量三次方程模拟了氮对 TPH 降解的有效利用。在不同的 TPH 污染水平下，TPH的降解率最初随着施氮量的增加而增加，然后随着施氮量的增加而降低。此外，利用这些方程和不同施氮量下的 TPH 降解率，确定了石油污染土壤的最佳耐氮量范围为 60 ~ 360 mg N/kg。研究结果表明，最佳氮剂量为136 mg N/kg，超过360 mg N/kg的高剂量氮对TPH降解无效。这些关于利用外源氮进行TPH修复的结果与农业作物生长对氮的需求是一致的。
根据评价农业氮肥利用率的“氮农艺效率（NAE）”和“氮部分因子生产率（NPFP）”，我们参照氮农艺效率和氮部分因子生产率的计算方法，分别评价了TPH降解过程中的施氮效率，即氮可利用效率（NAVE）和氮部分因子可利用效率（NPFA）。随着施氮剂量的增加，氮的可利用效率和氮的部分因子可利用度都有所下降。与施氮量 ≥272 mg/kg的处理相比，施氮量 ≤136 mg/kg的处理在氮素可利用效率和氮素部分因子可利用度方面具有显著优势。
相比之下，在本研究中，编码NO还原为N2O的基因（norB和norC）的丰度与对照组相比并无显著差异，但在添加 136 mg N/kg的氮处理中，nirK和nirS基因丰度仍显著升高。因此，本研究证实，与高氮处理相比，136 mg N/kg的施氮量能有效促进氮循环和碳氢化合物降解，而且还能抑制一氧化二氮的排放。
两种污染水平的土壤功能没有明显差异，但补氮会导致氮循环和碳转化功能基因丰度的波动。在石油污染土壤中补氮136 mg/kg后，与糖类生物合成和代谢以及能量代谢相关的途径丰度提高。这种增加表明，外源营养刺激了生物体，促使生物体在能量供应和代谢状态方面发生调节或适应性变化。此外，在遗传信息处理代谢途径中引入外源氮明显提高了翻译、复制和修复以及折叠、分类和降解等途径的丰度。这表明，136 mg N/kg的外源氮有助于微生物产生与石油降解相关的酶或其他蛋白质，以应对石油污染物诱发的细胞压力和毒性。因此，这种提高可增强碳氢化合物降解和细胞活力。这些研究结果表明，无论TPH的浓度如何，136 mg/kg的施氮量都是修复石油污染土壤的最佳剂量。用于TPH修复的外源氮施用量与农业作物生长对氮的需求量一致。
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