平面光極(PO）技術根際監測溶解氧（DO）和pH檢測的案例

本次分享一篇由浙江大學徐建明團隊在《PNAS》上發表的一篇學術論文“Dynamic in situ detection in iRhizo-Chip reveals diurnal fluctuations of Bacillus subtilis in the rhizosphere"

微生物在根際的有效定殖對于建立宿主植物的有益共生關系至關重要。土壤棲居細菌枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）常與植物及其根際共生，因其有助于植物生長、抑制病原體并有助于可持續農業實踐而備受關注。然而，由于現有的原位檢測技術的限制，關于B. subtilis在根際內的動態分布及其與植物根系的相互作用機制的研究仍不足。為了實現根際環境的動態原位檢測，我們建立了基于微流控技術的iRhizo-Chip平臺。使用該設備研究根際微生物的行為，我們發現B. subtilis在根際內的生長存在明顯的晝夜波動。對根際溶解氧（DO）、pH、溶解有機碳和活性氧物種的時空動態分析表明，B. subtilis的晝夜生長波動可能與多種環境因素有關。空間動態分析還顯示，B. subtilis、DO和pH的空間分布變化相似。隨后，通過體外控制實驗，我們證明了根際DO和pH是B. subtilis日間生長波動的主要驅動力。研究結果表明，B. subtilis的生長受根際DO和pH的驅動，導致日間波動，而iRhizo-Chip是研究植物根際動態的有價值工具。

實驗證明，iRhizo-Chip能夠以高空間和時間分辨率實時監測根際土壤中的B. subtilis動態行為，為理解植物和微生物在自然條件下的復雜相互作用提供了新的途徑，顯著增強了我們對根際界面多因素動態的理解。觀察到的B. subtilis的日波動強調了微生物群落對環境變化的響應性，與宿主植物的生理節律密切相關。這種相關性強調了將微生物群落的時間動態整合到微生物接種和生物肥料策略開發中的必要性，可能導致更有效和環保的農業實踐。近年來，原位研究方法要么依賴于過度簡化的模擬環境，要么難以實現高分辨率。嘗試使用微流體系統對植物根系進行水培，以及結合使用允許控制養分供應的透明土壤，仍然遠離實際的根際土壤環境的復雜性，并且在耦合分析各種根際環境因素及其動態變化方面也不太有效。iRhizo-Chip的應用代表了根際研究的實質性進展，從通常依賴于破壞性采樣方法來分析理化和微生物學特性的傳統研究中轉變過來。同時，考慮到iRhizo-Chip與各種原位技術的高兼容性，它進一步增強了我們評估根際界面中關鍵元素如氮和硫的區域循環行為的能力。此外，iRhizo-Chip的動態原位檢測能力為根際微生物動態提供了寶貴的見解，對環境可持續性和農業創新的未來具有重要意義。在這方面，iRhizo-Chip被證明是研究根際界面多因素耦合動態生化過程的有效和可靠工具。它提供了至關重要的見解，對于優化農業方法、降低環境風險和促進可持續土地管理策略至關重要。這個工具不僅增強了我們對根際動態的理解，而且還促進了科學發現在實際、環保的農業實踐中的應用。

在這篇文章中，平面光極技術（Planar Optode, PO）起到了監測根際環境中溶解氧（DO）和pH值的關鍵作用。具體來說，它與iRhizo-Chip結合使用，能夠提供高時空分辨率的數據，幫助研究人員動態監測和分析根際中這些環境因素的變化。通過使用平面光極技術，研究人員能夠實時記錄根際的DO和pH變化，從而揭示這些因素如何影響芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的生長和分布。這種監測對于理解根際微生物的動態行為及其與植物根系的相互作用至關重要。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。