[发明专利]一种基于数学模型同时测定氨氧化速率和亚硝酸盐氧化速率的方法

说明书

本发明公开了一种基于数学模型同时测定氨氧化速率和亚硝酸盐氧化速率的方法。在不加入任何抑制剂的条件下，对水体样品或者沉积物样品进行原位条件下的避光培养，建立培养体系。连续测定培养体系水体中DIN(NH4+、NO2‑与NO3‑)的浓度，得到DIN浓度值变化的时间序列；采用Boltzmann模型对于水体DIN时间序列进行拟合，得到拟合数学方程；在此基础上，运用MATLAB对拟合的数学方程进行一阶微分，通过微分方程可以得到瞬时速率趋势图；同时，基于这个模型还计算得到了平均反应速率。这一方法克服了依赖抑制剂的干扰，在一个体系中同时得到了Va和Vn的瞬时反应速率和平均反应速率，准确呈现出了环境中微生物硝化作用的动力学过程，为本领域的研究提供了一种操作方便且准确测定的方法。

技术领域：

本发明属于环境科学领域，具体涉及一种基于数学模型同时测定氨氧化速率和亚硝酸盐氧化速率的方法。

背景技术：

硝化作用是氧化铵盐(NH₄⁺)到亚硝酸盐(NO₂^-)再到硝酸盐(NO₃^-)的过程，氨氧化过程是由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)完成的，亚硝酸盐氧化通过亚硝酸盐氧化细菌(NOB)完成的。硝化过程是氮素循环的重要环节，在全球氮循环中发挥重要作用。通常硝化速率的测定通过向样品中添加抑制剂的方法实现。当氨氧化过程被阻断时，可以通过亚硝酸盐的下降表示亚硝酸盐氧化速率。同样地，当亚硝酸盐氧化过程被抑制时，氨氧化速率可以通过亚硝酸盐的增加求出。目前，常用的几种氨氧化抑制剂有几种，包括乙炔(C₂H₂)，三氯甲基吡啶(Nitrapyrin)，烯丙基硫脲(ATU)等。使用抑制剂方法存在很多的不足：首先，在实际的硝化率测定过程中，ATU和PTIO并不能完全抑制氨氧化过程。在样品中AOA和AOB丰度与活性不确定的条件下，不能确定加入ATU或PTIO抑制氨氧化过程。其次，用于一种途径的抑制剂可能会扰乱另一种途径的发生。第三，氨氧化和亚硝酸盐氧化均为连续过程，加入抑制剂可能会导致这两个过程解偶联。最后，抑制剂具有一定的时效性，在实验过程中，存在反应没有结束而抑制失效的情况。总的来说，用抑制剂测定的硝化速率与实际的硝化速率存在很大的偏差。

发明内容：

本发明的目的为了避免传统的抑制剂方法在硝化速率测定过程中存在的不足，在不添加抑制剂的条件下建立了一种基于数学模型计算同时测定水体及沉积物硝化速率的方法，这种方法避免了添加抑制剂带了的一些问题，同时准确地测出了氨氧化速率和亚硝酸氧化速率，并模拟出了瞬时速率的变化趋势，为环境中硝化过程的准确分析测定提供了一种简便快速准确的方法。

本发明的基于数学模型同时测定氨氧化速率和亚硝酸盐氧化速率的方法，包括以下步骤：

A、培养体系的建立

用250毫升无菌宽口瓶(HDPE，THEMO)建立培养体系。对于水样，在每个瓶子中注入125毫升原位水(用尼龙网过滤)。对沉积物样品，加入10g(湿重)沉积物和125毫升原位过滤水(用0.22μm滤膜过滤)，在每个瓶子中混匀。培养瓶内的顶空部分可以保证足够的氧气用于硝化作用。然后，用水或沉积物物样品制备的培养瓶在原位温度下温和地摇动(75转/分钟)，以保持它们处于充气有氧状态。样品在黑暗中培养以防止浮游植物对可溶性无机氮(DIN)的同化。每12小时取培养瓶中的上覆水溶液，并测量铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐(DIN)的浓度。培养持续直到铵盐和亚硝酸盐完全消耗，并且硝酸盐浓度达到稳定。通过标准方法测定铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐浓度，建立铵盐、硝酸盐和硝酸盐(DIN)的时间序列动力学变化曲线，用于进一步建立氨氧化和亚硝酸盐氧化速率的数学计算模型。

B、建立数学模型，计算氨氧化和亚硝酸盐氧化速率