平面光極案例：氮肥顆粒周圍亞表面氨和pH動態對硝化作用的影響

本次分享一篇由丹麥奧胡斯大學團隊在《Soil Biology and Biochemistry》上發表的一篇學術論文"Visualizing small-scale subsurface NH3 and pH dynamics surrounding nitrogen fertilizer granules and impacts on nitrification activity。本文研究了農業土壤中氮肥顆粒周圍小尺度（毫米級）的氨（NH3）和pH動態變化，以及這些變化對硝化作用活性的影響。

研究亮點（Highlights）：

• 1. 研究開發了一種新型的光電極系統，用于可視化氮肥顆粒產生的小尺度NH3和pH變化。

• 2. 尿素顆粒產生的NH3和pH水平較高，而氯化銨顆粒產生的NH3水平較低，pH動態變化不同。

• 3. 硝化作用活性在氯化銨顆粒附近最高，并隨距離增加而降低。

• 4. 尿素顆粒附近硝化作用活性較低，并隨距離增加而增加。

• 5. 氨氧化細菌的amoA基因轉錄在遠離氯化銨顆粒的地方受到抑制，在靠近尿素顆粒的地方增加。

在本文中，平面光極(optode)系統被應用于實時、連續地檢測和可視化亞毫米級尺度上由氮肥顆粒引起的土壤化學變化，特別是氨(NH3)和pH值的變化。這項技術使得研究人員能夠在實驗室微宇宙室內，對施用氯化銨(NH3)或尿素顆粒后的土壤進行高時空分辨率的監測。具體應用如下：

1. 實時監測：利用平面光極系統，研究人員能夠實時監測土壤中NH3和pH值的變化。

2. 高時空分辨率：該系統提供了小尺度空間(毫米級)和時間(0至3天)上NH3和pH值的高分辨率成像。

3. 土壤化學變化：通過平面光極系統，研究人員能夠觀察到施用氮肥后土壤化學成分的動態變化。

4. 氮肥顆粒的影響：研究比較了氯化銨(NH4Cl)和尿素顆粒對土壤微環境的影響，包括NH3的產生、擴散和相關的pH變化。

5. 硝化作用活性：通過監測NH3和pH的變化，研究人員能夠評估這些變化對硝化作用活性的影響。

6. 微生物活動：研究還探討了NH3和pH的梯度變化對土壤微生物群落，特別是氨氧化細菌(AOB)、古菌(AOA)和氨氧化菌(comammox)的基因和轉錄活性的影響。

7. 環境影響：研究結果有助于更好地理解氮肥施用對土壤環境的影響，以及如何通過管理措施減少氮的損失并提高氮的利用效率。

8. 實驗設置：研究人員使用了一個特制的實驗腔室，配備有平面光極，用于監測土壤中的NH3和pH值。

9. 數據獲取：通過平面光極系統，研究人員能夠獲取土壤中NH3和pH值的二維圖像，從而直觀地展示NH3和pH的空間分布。

10. 概念驗證：研究還進行了概念驗證，展示了使用平面光極系統在識別產生脲酶的病原體(如枯草桿菌Bacillus subtilis)方面的潛在應用，而無需依賴于pH的變化。

這項研究是直接可視化施用氮肥顆粒后土壤中NH3濃度和pH值的小尺度亞表面變化，并將這些變化與硝化作用活性聯系起來。通過這項研究，研究人員能夠為農業可持續性提供新的見解，并為提高肥料氮的利用效率和減少氮損失提供科學依據。

平面光極技術是當今先進的光電傳感技術之一，智感環境團隊基于這種技術，相繼開發出了一種封閉式平面光極設備(PO2100)和一種便攜式平面光極設備(PO1100)，可實現沉積物/土壤/植物根際/水體中pH、DO和CO2的實時高分辨率檢測，這在光電傳感技術領域是一項重要的突破。