微電極技術(shù)在沉水植物生物膜中活性氧種類的時(shí)間變化研究中的應(yīng)用

本期分享一篇復(fù)旦大學(xué)張繼彪團(tuán)隊(duì)在《Journal of Hazardous Materials》發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文：Temporal variations in reactive oxygen species in biofilms of submerged macrophytes: The key role of microbial metabolism mediated by oxygen fluctuations,Journal of Hazardous Materials。這篇文章需要研究了沉水植物生物膜中活性氧種（ROS）的產(chǎn)生及其在水生環(huán)境中的生物地球化學(xué)作用。

活性氧種（ROS）在水生環(huán)境的生物地球化學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，然而它們?cè)诔了参锷锬ぶ械某霈F(xiàn)和積累卻鮮有記錄。在此，我們研究了生物膜微環(huán)境的光暗循環(huán)波動(dòng)以及生物膜演替過程中代表性ROS（O₂^•?）的時(shí)間變化，并隨后量化了生物膜中的光化學(xué)過程。持續(xù)產(chǎn)生的O₂^•?呈現(xiàn)出明顯的節(jié)奏性波動(dòng)，從32.49 ± 0.56 μmol/kg到72.56 ± 0.92 μmol/kg FW，與溶解氧、氧化還原電位和pH同時(shí)波動(dòng)，這一切都是由生物膜交替的氧化-厭氧條件驅(qū)動(dòng)的。O₂^•?和ROS的強(qiáng)度在生物膜演替過程中首先增加然后減少。不同水體中生物膜的O₂^•?濃度順序?yàn)猷l(xiāng)村河水 > 景觀湖水 > 水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘水，葉片光合作用和微生物群落發(fā)揮了關(guān)鍵作用。ROS的產(chǎn)生與放線菌門、變形菌門和擬桿菌門顯著相關(guān)，貢獻(xiàn)分別為44.6%、32.8%和15.2%。偏最小二乘路徑建模結(jié)構(gòu)方程分析表明，葉片生物膜中ROS的產(chǎn)生主要與微環(huán)境和微生物代謝有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)將促進(jìn)水生環(huán)境中生態(tài)恢復(fù)策略的發(fā)展。

本研究提供了關(guān)于沉水植物生物膜中活性氧物質(zhì)（ROS）形成實(shí)驗(yàn)證據(jù)。具體來說，生物膜中的ROS是可以再生和持續(xù)的，這意味著它們對(duì)水生生物地球化學(xué)過程有持續(xù)的影響。盡管光化學(xué)過程不是生物膜中ROS產(chǎn)生的主要途徑，但太陽輻射仍然是一個(gè)重要因素，并誘導(dǎo)了沉水植物微界面的光暗波動(dòng)，從而影響ROS的產(chǎn)生。此外，我們的工作表明，生物膜中的ROS隨著生物膜演替而變化，并主要受到需氧細(xì)菌微生物群落代謝的影響。在沉水植物生物膜中發(fā)現(xiàn)ROS的產(chǎn)生不僅擴(kuò)大了水生環(huán)境中現(xiàn)有ROS區(qū)域的范圍，而且還表明ROS在具有相似特征的動(dòng)態(tài)界面中產(chǎn)生和積累，如潮間帶表層土壤、水稻根際和黑麥草根際土壤。我們假設(shè)，葉生物膜中胞外ROS的形成不僅由于微生物氧化應(yīng)激，而且與微生物細(xì)胞間通信和碳循環(huán)中的信號(hào)分子傳遞以及金屬和污染物降解有關(guān)，這需要在遺傳、功能和群落水平上進(jìn)一步分析。

在這篇文章中，微電極技術(shù)被用于實(shí)時(shí)監(jiān)測沉水植物葉片生物膜微環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，包括溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）和pH值。智感環(huán)境推出的單通道微電極分析系統(tǒng)（Micro1100）和多通道微電極分析系統(tǒng)（Micro2100）能夠原位觀測微小區(qū)間溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）和pH值的變化。