平面光極案例分享：濕地植物根際區(qū)磷循環(huán)的高分辨率成像研究

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本次分享一篇由中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)在《Water Research》上發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文--Root-mediated acidification, phosphatase activity and the phosphorus-cycling microbial community enhance phosphorus mobilization in the rhizosphere of wetland plants。濕地植物的根際修復(fù)是一種環(huán)境友好型的沉積物磷（P）去除策略，依賴根系與微生物之間相互作用。本研究利用高分辨采樣和成像、宏基因組測(cè)序等方法，研究了濕地植物根際中磷的固定和動(dòng)員機(jī)制。磷、鐵（Fe）和錳（Mn）的二維空間分布表明，鐵氧化物吸附而非錳氧化導(dǎo)致了根際活性磷的耗竭，鐵結(jié)合態(tài)磷組分增加支撐了這一論點(diǎn)。植物根系通過(guò)改變根際環(huán)境和磷循環(huán)微生物群落，從沉積物中獲取低有效性磷。通過(guò)局部酸化和增加的磷酸酶活性，分別增強(qiáng)了礦物磷的溶解和有機(jī)磷的礦化。根際中磷溶解和礦化基因（gcd和phnW）相對(duì)豐度增加，以及磷轉(zhuǎn)運(yùn)基因（ugpA、ugpB和pit）基因減少，表明微生物活化磷的潛能增加、同化磷的潛能降。上述活化磷的過(guò)程導(dǎo)致培養(yǎng)期間濕地植物根際中10.04%無(wú)機(jī)磷和15.23%有機(jī)磷的再動(dòng)員。然而，上述過(guò)程并不能補(bǔ)償根系吸收和礦物固定導(dǎo)致的根際磷耗竭。研究結(jié)果為根際磷循環(huán)過(guò)程與機(jī)制提供了新的見解，有助于指導(dǎo)未來(lái)的植物修復(fù)策略。

在本文中，平面光極（Planar Optodes, PO）技術(shù)被用于成像，以監(jiān)測(cè)和分析濕地植物根際區(qū)（rhizosphere）中的氧氣（O₂）和pH值的分布。以下是平面光極技術(shù)在本文中的應(yīng)用細(xì)節(jié)：

1. 氧氣和pH值的監(jiān)測(cè)：通過(guò)將O₂和pH敏感的光極固定在可拆卸的窗口上，研究人員能夠在根際區(qū)進(jìn)行O₂和pH的成像。這些光極能夠測(cè)量根際區(qū)中的O₂濃度和pH水平，這些參數(shù)對(duì)于理解植物根系與微生物相互作用以及磷循環(huán)過(guò)程至關(guān)重要。

2. 成像系統(tǒng)：使用的成像系統(tǒng)包括405納米的發(fā)光二極管（LEDs）、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相機(jī)以及一個(gè)控制器，該控制器能夠同時(shí)控制LEDs和相機(jī)。

3. 數(shù)據(jù)分析：通過(guò)提取O₂圖像的紅色和綠色通道以及pH圖像的綠色和藍(lán)色通道，計(jì)算得出O₂濃度和pH值。所有成像步驟都在暗室中進(jìn)行，整個(gè)成像過(guò)程大約需要十秒，對(duì)根際區(qū)和沉積物環(huán)境的暗適應(yīng)影響幾乎可以忽略不計(jì)。

4. 高分辨率成像：通過(guò)高分辨率成像技術(shù)，研究人員能夠?qū)⒚總€(gè)像素點(diǎn)的信號(hào)值（包括熒光強(qiáng)度、灰度值和信號(hào)強(qiáng)度）轉(zhuǎn)換為分析物濃度或通量信息。

5. 根際區(qū)磷循環(huán)：通過(guò)PO成像技術(shù)獲得的O₂和pH值的分布數(shù)據(jù)，結(jié)合其他技術(shù)如擴(kuò)散梯度薄膜（DGT）和土壤酶譜法（zymography），研究人員能夠更全面地了解根際區(qū)中磷的固定和動(dòng)員機(jī)制。

6. 研究假設(shè)：研究假設(shè)濕地植物會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)局部酸化、增加磷酸酶活性和改善微生物磷的溶解和礦化來(lái)響應(yīng)由根系吸收和礦物固定作用引起的磷缺乏條件。

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平面光極技術(shù)的應(yīng)用使研究人員能夠在微尺度上可視化根際區(qū)的生物地球化學(xué)過(guò)程，這對(duì)于揭示植物根系如何影響其周圍環(huán)境以及如何通過(guò)微生物相互作用來(lái)調(diào)節(jié)磷循環(huán)具有重要意義。

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平面光極技術(shù)是當(dāng)今先進(jìn)的光電傳感技術(shù)之一，智感環(huán)境團(tuán)隊(duì)基于這種技術(shù)，相繼開發(fā)出了一種封閉式平面光極設(shè)備(PO2100)和一種便攜式平面光極設(shè)備(PO1100)，可實(shí)現(xiàn)pH、DO和CO₂的實(shí)時(shí)高分辨率檢測(cè)，這在光電傳感技術(shù)領(lǐng)域是-項(xiàng)重大的突破。2020年智感環(huán)境的PO1100設(shè)備成功走進(jìn)法國(guó)波爾多大學(xué)，為“中國(guó)制造"贏得了世界的尊重!