научная статья по теме НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ АЗОТА В ПРОЦЕССЕ ДЕНИТРИФИКАЦИИ С ОБРАЗОВАНИЕМ ЗАКИСИ АЗОТА Геология

Текст научной статьи на тему «НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ АЗОТА В ПРОЦЕССЕ ДЕНИТРИФИКАЦИИ С ОБРАЗОВАНИЕМ ЗАКИСИ АЗОТА»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 2, с. 194-198

КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

УДК 567.8:628.35

нелинейная динамическая модель фракционирования

стабильных изотопов азота в процессе денитрификации

с образованием закиси азота

© 2015 г. В. А. Вавилин, C. В. Рытов

Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: vavilin@aqua.laser.ru Поступила в редакцию 07.03.2013 г.

Оттаивание почвы в зонах вечной мерзлоты может приводить к образованию значительных количеств легко усваиваемого органического вещества. За счет этого происходит интенсификация процессов денитрификации нитратов, которые приводят к образованию закиси азота, обладающей значительным парниковым эффектом, и выходу ее в атмосферу. Поэтому изучение процессов денитрификации — важная задача в планетарном масштабе. Предложена математическая модель, использующая модификацию классической зависимости Моно для скорости процесса как функции от концентрации двух субстратов — нитрата и органического вещества, описывающей динамику

фракционирования стабильных изотопов азота 14 N и 15 N в процессе денитрификации нитратов

(N0-). Для калибровки модели использованы экспериментальные данные. Модель позволила описать нелинейную динамику фракционирования при избытке и при недостатке легко усваиваемого органического вещества. Показано, что традиционное уравнение Релея, выводимое из кинетики 1-го порядка по субстрату (нитрату), и нелинейная модель дают близкие результаты.

Ключевые слова: денитрификация, закись азота, стабильные изотопы азота, кинетический эффект фракционирование, математическая модель, уравнение Релея.

DOI: 10.7868/S0321059615020145

Процесс денитрификации — важное звено в общем круговороте азота (^ на Земле. Денитрификация протекает в несколько стадий с восстановлением нитратов (N0-) до нитритов (N0-) и далее — до газообразной окиси азота (N0), закиси азота (N20) и молекулярного азота (N2):

NO- ^ NO- ^ NO ^ N2O ^ N2

(1)

Процесс денитрификации может идти как в донных отложениях водоемов, так и в почве, в которой из-за денитрификации с выделением газообразного N в атмосферу [3] происходит обеднение по N. В зависимости от преобладающей растительности конечным продуктом может быть молекулярный азот N или ^0. Так, в почве лиственных лесов (береза), в отличие от хвойных лесов (лиственница), превращение ^0 в N протекает медленнее [8]. Поступающая в атмосферу ^0 обладает значительным парниковым эффектом [14]. При оттаивание почвы в зонах вечной мерзлоты значительно ускоряется образование

^0 с выходом ее в атмосферу [9]. Скорость де-нитрификации нитратов зависит от различных факторов, таких как рН, температура и содержание воды в почве [5, 11]. При низких рН (~4.8) денитрификация не идет, а при высоких рН (~8.0) она становится очень быстрой. Скорость денитрификации возрастает с повышением температуры и влажности почвы.

Подобно фракционированию стабильных изотопов углерода, фракционирование стабильных изотопов азота измеряется в промилях (%о) — тысячных долях разницы от установленного стандарта [1, 2, 7]:

S15N =

( N/ N)o6pa3en

(15N/14N)C

- 1 X 1000 (%). (2)

/стандарт _

Для стандарта изотопов азота традиционно применяется значение N7 N = 0.003663. С использованием шкалы б1^ (%) по разности текущих значений б1^ и стандарта можно измерить не-

большие изменения 15М в ходе микробиологических превращений субстрата.

Уравнение Релея [10] традиционно используется для вычисления коэффициентов фракционирования:

R /R = f

(1/а-1)

(3)

где В0 и — содержание изотопов в субстрате в начале процесса и в момент г соответственно; / = Сг /С0 — фракция субстрата, не принимающая участие в реакции при начальной (С0) и при конечной (Сг) концентрациях субстрата соответственно; а — кинетический коэффициент фракционирования стабильных изотопов для закрытой системы. Применение уравнение Релея для стабильных изотопов обосновывается справедливостью простой кинетики 1-го порядка по концентрации субстрата[1,13].

Линия регрессии с двойными логарифмическими координатами позволяет получить значение коэффициента а:

, 5,+1000 ln—■-

50 +1000

(1/а- 1)ln| C

(4)

^0 + 1000 \С0) Вместо фактора фракционирования а, близкого к 1, часто используется коэффициент обогащения б = (1/а - 1) х 1000 (%с) [7]. Изотопные исследования процесса денитрификации с использованием бактериальных культур из пресноводных водоемов и почв показали широкий разброс значений б^ (2-30)% [4].

трация нитрат-иона; p(NO-, Org, B) — скорость де-нитрификации как функция от концентрации нитрат-иона, ОВ и биомассы микроорганизмов; рт — удельная максимальная скорость денитри-

фикации; KNO-, KOrg — константы полунасыщения

для субстратов (нитрат-иона и ОВ); Y — экономический коэффициент, выражающий долю прирастающей биомассы при утилизации субстрата. Предполагалось, что скорость процесса денитри-фикации зависит от концентрации двух субстратов (нитрат-иона и ОВ) и эта скорость описывается модифицированной зависимостью Моно для двух субстратов. Заметим, что ранее в [6, 12] при описании фракционирования стабильных изотопов азота в процессе денитрификации ОВ не рассматривалось, что предполагало его избыточное количество.

ОПИСАНИЕ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ

Для описания фракционирования стабильных изотопов азота в систему (5) введем дополнительно следующие уравнения:

d 15NO3 dt

15

NO-1 NO- aN

p(NO-, Org, B),

d 15N14NO = _ 1 (1 _ Y )

dt 2( NO-)

>15N D ,,

d bno- _ dB15NO- 1

d 15NO-dt

(6)

dt

dt NO- aN

МОДЕЛЬ ДЕНИТРИФИКАЦИИ

Для описания денитрификации с участием обобщенного органического вещества (ОВ) авторами применялась следующая система дифференциальных уравнений:

dNO-dt

= -p(NO-, Org, B) =

= -PmB

NO- - cr

Org

KNO- + NO- - cr KOrg + Org

= -p(NO-, Org, B),

dt

dB dt

= Y p(NO-, Org, B),

(5)

^ = 1 (1 - Y) p(NO-, Org, B), dt 2

где NO-, N2O, Org и B — концентрации нитрат-иона, закиси азота, ОВ и биомассы микроорганизмов соответственно; cr — пороговая концен-

где а N — коэффициент фракционирования тяжелых изотопов 14М и 15М, учитывающий разные скорости и легких субстратов в реакции, поскольку реакции с более тяжелыми изотопами в субстрате идут медленнее, чем реакции с легкими изотопами.

Численные расчеты выполнялись с помощью программы МАТЛАБ 6.5. Параметры модели приведены в таблице, при этом коэффициенты подбирались в соответствии с литературными данными, подробное описание экспериментов содержится в работах [7, 8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Денитрификация при избытке легко усваиваемого органического вещества

Результаты моделирования представлены на рис. 1, из которого можно заключить, что фрак-

15м 14-м

ционирование изотопов N и N в ходе денитри-фикации удовлетворительно описывается моде-

Кинетические коэффициенты модели (5), (6), коэффициенты фракционирования стабильных изотопов азота а№ начальные концентрации микроорганизмов В0 и тяжелого нитрат-иона (15КО-0)

Источник данных рт, мМ/мМ ч-1 У, мМ/мМ *ко3, мМ К0г§, мМ сг, мМ В0, мМ 15КО-0, мМ

[8] [7] 1.7 0.05 0.08 0.05 6.0 5.0 7.0 7.0 0.5 0.5 0.12 1.8 0.0907 0.0549 1.025 1.028

лью (5), (6), учитывающей, что субстрат с легким

14 АТ

изотопом N утилизируется микроорганизмами с большей скоростью, чем субстрат с тяжелым

изотопом Согласно условиям эксперимента [8], для ускорения денитрификации дополнительно вводился органический субстрат. Поэтому лимитирование скорости процесса концентрацией ОВ не происходит, а ОВ еще остается, когда весь нитрат исчезает (рис. 1а, 1в). В модели допускалось, что в начале процесса концентрация ОВ существенно больше концентрации нитрата, а константы полунасыщения по ОВ и нитрату предполагались фактически равными (таблица).

При исчерпании нитрата фракционирование

стабильных изотопов 15М и 14 N фактически прекращается, что видно по изменению SN в продукте реакции (рис. 1ж). Рис. 1з свидетельствует о сохранении баланса тяжелого изотопа азота в ходе реакции.

Денитрификация при недостатке легко усваиваемого органического вещества

Согласно условиям эксперимента [7], органический субстрат, ускоряющий денитрификацию, не добавлялся. Результаты моделирования представлены на рис. 2. Видно, что процесс денитри-

^ 40 ч

о

(а)

О £

20 -

0 40

3 20

ад

О

0

т

О £

о"

с< £

80 60 40 20

0 10 0 -10 -20 -30

20

40 60 (д)

80

20 40 60 80 (ж)

0 20 40 60 80 Время, ч

г к

л о

О £

о и

и

20 г

10

2 -

0

О 20

о, 0

и

И -20

со

-40

г /к 0.2

л/

0.1

20

20

20

40 60 (е)

40 60 (з)

40 60 Время, ч

80

80

80

Рис. 1. Динамика процесса денитрификации. Экспериментальные данные (символы) — из [8]. Здесь и на рис. 2 кривые — решение модели (5), (6) с коэффициентами, представленными в таблице.

0

0

200 600 Время, ч

300 600 Время, ч

(е)

200 600 Время, ч

900

Рис. 2. Динамика процесса денитрификации. Экспериментальные данные (символы) — из [7]. Экспоненциальное разложение концентрации нитрата соответствует константе скорости, равной 0. 0025 ч-1.

фикации сильно замедляется при недостатке легко усваиваемого ОВ (рис. 2б). Соответственно, максимальная удельная скорость в этом случае гораздо ниже, чем при избытке легко усваиваемого ОВ (таблица). Заметим, что в эксперименте баланс по общему азоту в нитрате и закиси азота при t = 736 ч не выполнялся точно. Фракционирование

изотопов и 14 N фактически прекращается при исчерпании легко усваиваемого ОВ, когда концентрация нитрата все еще значительна. Рис. 2а, 2б показывают, что для описания кинетики разложения нитрата и образования закиси азота вместо модели (5) формально может быть использована модель 1-го порядка по концентрации нитрата, когда процесс явно замедлен, а конечная концентрация нитрата все еще значительна.

На рис. 3 показаны линейный график Релея (4), для обоснования которого традиционно допускается справедливость кинетики 1-го порядка, и соответствующая зависимость, следующая из нелинейной модели (5), (6). Видно, что обе модели хорошо соответствуют экспериментальным данным.

0 0 0

О £

0 0 0

О

£

5

ю с

0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0

"Линейный график: У = —0.032Х + 0.015

■ Нелинейная м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком