鱼菜共生系统中氧化亚氮的释放特征及产生机制研究

Aquaponics is one of the "zero waste" industry in the 21st century, and is considered to be one of the major trends for the future development of agriculture and aquaculture. However, to date, very few studies have been focused on the nitrogen transformations in aquaponic system, especially its nitrous oxide (N2O) emission. N2O is an important greenhouse gas, and despite of its high global warming potential, it also destroys the ozonosphere. The proposed project will investigate the spatial and temporal variation of N2O emission from aquaponic system. Stable isotopes 15N will be used to study the nitrogen transformations in aquaponic system and the distributions of nitrogen input will be identified. Molecular biology techniques, such as 16S rDNA clone library, reverse transcription-polymerase chain reaction and real-time quantitative PCR, will be used to investigate the community composition and abundance of microbes in the system, and the mechanisms of N2O production will be revealed based on the correlation between the variation of microbial abundance, community composition, and system functions. In the end, attempts to control N2O emission from aquaponic system will be conducted through system design, operation optimization or microbial regulation. The successful completion of the proposed project will provide theoretical guidances for the design and operation of aquaponic system and minimize its impact on the surrounding environment.

鱼菜共生系统被认为是21世纪的"无废化"产业之一，是农渔业未来发展的一大趋势。但是，目前对其氮的迁移转化规律，特别是氧化亚氮（N2O）释放情况的研究较少。N2O是一种重要的温室气体，它既有产生温室效应的作用，又可以破坏臭氧层。本项目拟通过模拟实验，研究鱼菜共生系统N2O的空间和时间释放规律；利用稳定同位素15N示踪技术，解析鱼菜共生系统中氮的迁移转化过程，明确氮在系统内的分布特征；采用构建克隆文库、反转录PCR和荧光定量PCR 等分子生物学方法，掌握该系统中与N2O 产生过程相关的微生物类群特征，通过研究系统中微生物的类群特征与其系统功能的相关性，揭示N2O 产生的微生物机制；最终，从系统设计、工艺优化、微生物群落调控等角度，优化鱼菜共生系统氮的迁移转化过程，控制其N2O的释放。本项目的开展能够为鱼菜共生系统的优化设计与运行提供理论指导，减少其对周围环境的影响。

本项目通过构建实验室规模的鱼菜共生系统，研究了不同工况条件下鱼菜共生系统中氮素的迁移转化规律，明确了系统中温室气体氧化亚氮（N2O）释放的时空变化规律，并剖析了N2O释放的微生物机制，进而提出了增加系统经济效益、减少N2O释放的优化控制策略。取得了如下主要结论：. （1）以鲤鱼和小白菜为研究对象，在中国北方地区成功构建了鱼菜共生系统，并实现了长期稳定运行，为鱼菜共生系统的推广应用提供了参考。. （2）pH、温度、DO等运行参数均对鱼菜共生系统中氮素的迁移转化有重要影响。系统的氮素利用效率（NUE）在酸性环境下较高，并且随着pH的上升而降低；温度升高能够提高系统的鱼菜产量，但是对NUE影响不明显；减半曝气和间歇曝气分别导致系统的NUE下降5.9%和15.5%，但综合考虑系统的能源利用效率，减半曝气具有更好的经济效益。. （3）鱼菜共生系统输入的氮大约有2%转化为N2O并释放到大气中，菜池所释放的N2O占系统N2O总释放量的80%以上。pH、温度、DO等运行参数均对N2O释放有显著影响。较低的pH、较高的温度和DO浓度，能够提高系统的NUE但同时也促进了N2O的释放。. （4）鱼菜共生系统中释放的N2O中大约75.2%-78.5%源自反硝化过程。由于环境条件的限制，反硝化反应进行不完全是鱼菜共生系统产生N2O的主要原因。其余部分的N2O大多源自硝化反应的羟胺氧化过程。. （5）硝化细菌添加和填料级配均可优化鱼菜共生系统中氮的迁移转化过程，从而将系统的NUE分别提高8.8 %和16.0 %。但是，两种优化方式均增加了系统N2O的释放，其N2O释放量分别为对照系统的1.5倍和2.5倍。. （6）向基质中曝气或者添加生物降解塑料PLA均可显著降低鱼菜共生系统的N2O释放。但是，基质曝气会对鱼菜的生长产生不利影响，降低系统的NUE。而PLA添加并不影响系统的经济效益，具有较高的可行性。 . 研究成果对于深入了解鱼菜共生系统内氮素迁移转化过程，认识鱼菜共生系统的N2O释放对全球温室效应的贡献具有重要意义。鱼菜共生系统的优化设计，提高了系统的NUE，并减少了N2O释放，为其推广应用奠定了理论基础。