魚菜共生系統中氧化亞氮的釋放特徵及產生機制研究

《魚菜共生系統中氧化亞氮的釋放特徵及產生機制研究》是依託山東大學，由胡振擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：魚菜共生系統中氧化亞氮的釋放特徵及產生機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡振
• 依託單位：山東大學

中文摘要

魚菜共生系統被認為是21世紀的無廢化產業之一，是農漁業未來發展的一大趨勢。但是，目前對其氮的遷移轉化規律，特別是氧化亞氮（N2O）釋放情況的研究較少。N2O是一種重要的溫室氣體，它既有產生溫室效應的作用，又可以破壞臭氧層。本項目擬通過模擬實驗，研究魚菜共生系統N2O的空間和時間釋放規律；利用穩定同位素15N示蹤技術，解析魚菜共生系統中氮的遷移轉化過程，明確氮在系統內的分布特徵；採用構建克隆文庫、反轉錄PCR和螢光定量PCR 等分子生物學方法，掌握該系統中與N2O 產生過程相關的微生物類群特徵，通過研究系統中微生物的類群特徵與其系統功能的相關性，揭示N2O 產生的微生物機制；最終，從系統設計、工藝最佳化、微生物群落調控等角度，最佳化魚菜共生系統氮的遷移轉化過程，控制其N2O的釋放。本項目的開展能夠為魚菜共生系統的最佳化設計與運行提供理論指導，減少其對周圍環境的影響。

結題摘要

本項目通過構建實驗室規模的魚菜共生系統，研究了不同工況條件下魚菜共生系統中氮素的遷移轉化規律，明確了系統中溫室氣體氧化亞氮（N2O）釋放的時空變化規律，並剖析了N2O釋放的微生物機制，進而提出了增加系統經濟效益、減少N2O釋放的最佳化控制策略。取得了如下主要結論：（1）以鯉魚和小白菜為研究對象，在中國北方地區成功構建了魚菜共生系統，並實現了長期穩定運行，為魚菜共生系統的推廣套用提供了參考。（2）pH、溫度、DO等運行參數均對魚菜共生系統中氮素的遷移轉化有重要影響。系統的氮素利用效率（NUE）在酸性環境下較高，並且隨著pH的上升而降低；溫度升高能夠提高系統的魚菜產量，但是對NUE影響不明顯；減半曝氣和間歇曝氣分別導致系統的NUE下降5.9%和15.5%，但綜合考慮系統的能源利用效率，減半曝氣具有更好的經濟效益。（3）魚菜共生系統輸入的氮大約有2%轉化為N2O並釋放到大氣中，菜池所釋放的N2O占系統N2O總釋放量的80%以上。pH、溫度、DO等運行參數均對N2O釋放有顯著影響。較低的pH、較高的溫度和DO濃度，能夠提高系統的NUE但同時也促進了N2O的釋放。（4）魚菜共生系統中釋放的N2O中大約75.2%-78.5%源自反硝化過程。由於環境條件的限制，反硝化反應進行不完全是魚菜共生系統產生N2O的主要原因。其餘部分的N2O大多源自硝化反應的羥胺氧化過程。（5）硝化細菌添加和填料級配均可最佳化魚菜共生系統中氮的遷移轉化過程，從而將系統的NUE分別提高8.8 %和16.0 %。但是，兩種最佳化方式均增加了系統N2O的釋放，其N2O釋放量分別為對照系統的1.5倍和2.5倍。（6）向基質中曝氣或者添加生物降解塑膠PLA均可顯著降低魚菜共生系統的N2O釋放。但是，基質曝氣會對魚菜的生長產生不利影響，降低系統的NUE。而PLA添加並不影響系統的經濟效益，具有較高的可行性。 研究成果對於深入了解魚菜共生系統內氮素遷移轉化過程，認識魚菜共生系統的N2O釋放對全球溫室效應的貢獻具有重要意義。魚菜共生系統的最佳化設計，提高了系統的NUE，並減少了N2O釋放，為其推廣套用奠定了理論基礎。