综述：利用氮氧同位素分馏评估水生系统中的反硝化作用

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：USING N AND O ISOTOPE FRACTIONATION FOR EVALUATING DENITRIFICATION IN AQUATIC SYSTEMS

本综述系统阐述了利用硝酸盐氮(δ15N)和氧(δ18O)同位素分馏技术追踪水生系统反硝化过程的核心机理，重点分析了从微生物酶反应到生态系统尺度的同位素富集效应(ε)，为量化氮循环动态和制定氮污染治理策略提供了重要方法论支撑。

　　

引言

随着农业集约化发展，硝酸盐污染已成为全球水环境面临的严峻挑战。自20世纪中期以来，合成肥料使用和大气氮沉降导致水体硝酸盐浓度持续上升。反硝化作用作为微生物将硝酸盐(NO₃^-)还原为氮气(N₂)的关键过程，通过酶促反应产生亚硝酸盐(NO₂^-)和一氧化二氮(N₂O)等中间产物，成为自然环境中重要的氮去除途径。值得注意的是，亚硝酸盐浓度超过1mg/L时具有毒性，而N₂O不仅是强效温室气体，还是主要的臭氧消耗物质。

氮循环过程在流域尺度呈现多界面特征，包括土壤、包气带、含水层、河岸带、河流沉积物及湖泊湿地等，各体系具有独特的硝酸盐转化动力学。大陆系统受施肥、污水等人为氮输入影响，其硝化和反硝化过程常受碳源、氧化还原条件和水文因素限制。未被上游反硝化的过量硝酸盐最终汇入海洋，在海洋氧亏缺区(ODZs)发生以反硝化和厌氧氨氧化(anammox)为主的氮流失过程——尽管ODZs仅占海洋体积的8%，却承担了全球30-50%的海洋氮损失。

稳定同位素技术为解析氮循环提供了强大工具。硝酸盐的δ¹⁵N和δ¹⁸O值既可指示污染源（如废水、化肥），又能揭示转化过程（如硝化、反硝化）。本文聚焦同位素分馏在追踪大陆与海洋系统反硝化过程中的核心作用，通过整合水文与生物地球化学模型，为氮污染治理提供量化依据。

同位素分馏基本原理

氮氧同位素组成采用δ标记法，以大气N₂（氮同位素）或标准平均海洋水（氧同位素）为参照。分馏系数ε表示轻重同位素反应速率差异，在反硝化过程中表现为剩余硝酸盐池的δ¹⁵N和δ¹⁸O值同步富集。值得注意的是，δ¹⁸O-NO₃^-的分馏还受水体中氧原子交换影响，其富集程度常低于δ¹⁵N。

方法学与潜在偏差

凯氏定氮法虽可转化硝酸盐和亚硝酸盐为N₂，但海洋与湖泊环境中亚硝酸盐氧化存在逆动力分馏效应，导致其δ¹⁵N显著低于硝酸盐。现代分析技术如细菌反硝化法可分别测定硝酸盐的氮氧同位素，但需注意亚硝酸盐积累可能干扰δ^{18O测定结果。}

微生物尺度的同位素分馏机制

反硝化菌群的系统发育和生理特性显著影响分馏程度。酶反应动力学（如硝酸盐还原酶Nar对¹⁴NO₃^-的优先利用）、底物跨膜运输方式（被动扩散促进分馏而主动运输抑制分馏）以及代谢途径切换（如亚硝酸盐还原至N₂O或N₂）共同调控表观分馏系数。研究发现，纯培养实验中ε¹⁵N可达-40‰，而自然体系因环境因子制约多集中于-25‰至-5‰区间。

竞争性氮转化过程的同位素效应

除反硝化外，硝酸盐异化还原成铵(DNRA)通过保留氮素减少分馏（ε¹⁵N仅-5‰）；硝化过程产生¹⁵N贫化的硝酸盐（δ¹⁵N较铵源低10-20‰）；厌氧氨氧化(anammox)则通过亚硝酸盐与铵直接反应产生¹⁵N富集的剩余氮池。这些并行过程会叠加同位素信号，需结合硝酸盐双同位素（δ¹⁵N与δ¹⁸O）比值进行辨析。

水生环境反硝化分馏系数特征

动态垂直反应-扩散系统(DVRD)中ε¹⁵N为0至-28‰，而扩散受限体系可达-40‰。地下水系统因低渗透性介质限制混合，分馏系数常接近纯培养值（-25‰）；河流沉积物与湿地因水文交换活跃，ε¹⁵N多介于-10‰至-5‰；海洋ODZs则因底物循环和亚硝酸盐氧化等过程，表观分馏系数进一步降低至-5‰以下。

全球氮循环管理启示

同位素富集因子的精确标定有助于改进氮循环模型，预测气候变化下的氮动态。大陆系统通过河岸带修复增强反硝化，可减少输海氮通量；海洋ODZs研究则揭示微生物网络对氮损失的调控机制。整合多尺度同位素数据与水文模型，能优化农业施肥策略与湿地构建方案，实现从源头到汇的氮污染控制。

结论与展望

氮氧同位素技术已成为量化水生系统反硝化过程的利器。未来需重点突破：1）发展高分辨率原位同位素监测技术；2）厘清多过程耦合下的分馏信号解耦方法；3）建立跨生境同位素数据库以支撑全球氮模型。通过深化对ε¹⁵N环境调控机制的认识，将推动氮循环研究从现象描述向预测预警迈进。