膜進樣質譜用于反硝化和厭氧氨氧化研究
膜進樣質譜用于反硝化和厭氧氨氧化研究
1. 膜進樣質譜（MIMS）簡介
膜進樣質譜（MIMS）是溶解性氣體質譜分析儀，適用于接測量環境水樣中的N2、O2和Ar的濃度，穩定同位素的檢測；還可用于CO2、CH4、DMS和其他低分子量溶解的氣體的測量，實驗結果表明，膜進樣質譜儀( MIMS) 在長時間( 10h)連續測定情況下仍能保持良好的信號穩定性。
研究發現，MIMS 和 N IPT 結合的方法了避免復雜的脫氣步驟可能帶來的分析誤差，同時具有測定直接、所需樣品少及測定速度快等優點，適用于淹水環境反硝化和厭氧氨氧化過程的同時測定。
2. 膜進樣質譜（MIMS）組成
MIMS(Membrane inlet mass spectrometer)主要由蠕動泵、恒溫水浴、液氮冷阱、四桿極質譜管、信號收集器、計算機系統組成。
3. 膜進樣質譜（MIMS）操作原理
MIMS 的操作原理：待測水樣在蠕動泵作用下進入溫度調節水浴裝置，經過溫度平衡的水樣進入真空系統并與半透膜接觸，水樣中部 分氣體透過半透膜進入四極桿質譜管，首先在電離裝置作用下進行離子化，而后不同質量的離子經過振蕩電場分離后進入檢測器。蠕動泵可以把水樣以均勻一致的速度輸入到進樣系統中，恒溫水浴可以快速調節低溫保存的水樣至實際取樣溫度，液氮冷阱可以去除水蒸氣、CO2、CH4 等低分子有機化合物以防止對待測氣體的干擾。
一、數據的測量步驟&計算方法（反硝化和厭氧氨氧化）
（一）方法一 ：
步驟一：標準樣品標定（溫度：25°，鹽度：0）
大氣中15N的天然豐度為0.00365，理論上29N2: 28N2和30N2 : 28N2比率分別為7.32 × 10-3和1.34 × 10-5。根據Weiss方程求得標準水樣中的28N2濃度C28N2.S，求出標準水樣中29N2和30N2.S理論濃度C29N2.S和C30N2.S。
C29N2.S = 7.32 × 10-3× C28N2.S
C30N2.S = 1.34 × 10-5×C28N2.S
利用膜進樣質譜儀（MIMS）測試制備的標準水樣，得到28N2、29N2和30N2各自的質譜信號強度，建立標準曲線方程Y =CF*I，I為質譜儀信號強度，N2為濃度。得到矯正因子CF公式如下：
CF28=C28N2.S/I28
CF29=C29N2.S/I29
CF30=C30N2.S/I30
(C28N2.S根據Weiss 方程計算得到，I28、I29、I30由MIMS測試得到)
步驟二：未知樣品測定
C28N2=CF28*I28
C29N2=CF29*I29
C30N2 =CF30*I30
(CF根據標準樣品計算得知，I28、I29、I30由MIMS測試得到)
方法二 ：
15N同位素示蹤法
15N同位素示蹤法示蹤法是定量厭氧氨氧化活性的新方法，根據厭氧氨氧化和反硝化過程原理的不同，該方法可以同時測定厭氧氨氧化和反硝化產生的氮氣。不僅可計算出反硝化速率，而且還量化了厭氧氨氧化對N2排放量的速率。
A. 同位素配對法測定厭氧氨氧化活性的原理
厭氧氨氧化是全球氮循環的新內容，是厭氧條件下銨根與亞硝酸根反應直接生成氮氣的過程，其具體反應過程為：
NH4 + + NO2 - → N2 + 2H2O （1）
在厭氧條件下，土壤中同時發生反硝化過程。反硝化反應是反硝化細菌將 NO3 - 還原為 N2O 和 N2 的過程，反應過程為：
NO3 - →NO2 - → NO → N2O → N2 （2）
NH4+ 和 NO2 - 分別提供一個氮原子，而反硝化產生的 氮氣為硝態氮經由一系列的中間反應產生，均來自NO3 -。因此，利用 15 N 同 在厭氧條件下，反應（1）和（2）均產生氮氣，但二者的反應機理不同。厭氧氨氧化反應產生的 N2 由位素示蹤法，厭氧氨氧化產生的氮氣可以通過氮氣中的不同組分（28N2，29N2，30N2 ） 區分開。
B. 測試操作步驟
15N 同位素示蹤實驗，共有三個處理：個平行試樣分別進行不同的實驗操作：①加入100 μmol/L 15NH4 +。②加入100 μmol/L 15NH4 + + 100 μmol /L14NO3 -。③加入100 μmol/L15NO3 -。
處理①僅加 15NH4 +是為了檢測前期預培養過程是否達到了實驗所需的厭氧條件以及沉積物本底的 14NO3 -是否已經消耗完全。如果達到實驗 所需的厭氧條件，則不會有耦合硝化-反硝化反應的發生，從而觀察不到30N2 累積；同樣如果預培養過程 中沉積物本底的 14NO3 -已經消耗完全，也觀察不到29N2的明顯累積。處理②中，如果達到了實驗所需的厭氧條件，則不會有30N2 明顯累積，而來自 15NH4 +中的15N和 14NO3 -的14N的擬合，會導致 29N2的明顯累積，用以證明厭氧氨氧化過程的存在。處理盂加入用15N特殊標記過的 NO3 -，其和沉積物本底的14NH4 +在缺氧或 厭氧的環境下會發生反硝化和厭氧氨氧化反應。二者的反應差異可以通過產生氮氣中 28N2，29N2，30N2 的組成得以體現，因此本理可以用來檢測樣本的全部脫氮潛勢（包括反硝化和厭氧氨氧化）。
C. 計算方法
相比于單一測定 N2，質譜可以更加精確測定氣體比例 （例如 N2∶Ar）。MIMS 測定 N2、Ar 的精度分別是<0.5%、<0.05%，而測定 N2∶Ar（物質的量比）精度< 0.03 %。另外，測定 N2∶Ar 還可以減少 O2 濃度變化的影響。水環境中N2源于生物過程（主要是反硝化和物理過程（水氣平衡），而 Ar 溶解度主要受溫度、鹽度條件控制（純物理過程）。因此，可通過水樣N2∶Ar計算其真實N2濃度。
