DGT與PO技術揭示籽粒莧根際微環境中重金屬活化的動態機制

土壤重金屬的活化與根際土壤的pH值、氧氣含量（O?）和酶活性密切相關。本研究利用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）、平面光學傳感器（PO）、土壤原位酶譜分析以及薄層擴散梯度（DGT）方法，研究了籽粒莧（Amaranthus hypochondriacus L.）在受污染土壤（含有鎘Cd、鉛Pb和鋅Zn）和未受污染土壤中的重金屬積累，以及根際和非根際土壤中溶解氧（DO）、pH值、土壤酶活性和痕量重金屬的動態變化。研究結果表明，在Cd、Pb和Zn的復合脅迫下，籽粒莧的生長受到顯著抑制，尤其是根和枝的生物量受到的影響最為明顯。籽粒莧根部的徑向氧損失（ROL）和堿化現象主要受根系生長和環境條件的影響。酶活性模式表明，酸性磷酸酶（ACP）、堿性磷酸酶（ALP）和β-葡萄糖苷酶（BG）的活性主要與根系相關，而在非根際土壤中這些酶的活性相對較低。在重金屬脅迫下，土壤熱點區域的ACP、ALP和BG活性增加。DO、pH值和土壤酶活性與Cd、Pb和Zn的存在顯著相關，影響根際中痕量金屬的活化機制。這些發現為理解根系引起的O?、pH值和土壤酶活性變化對土壤中痕量重金屬遷移能力的影響奠定了基礎。

本研究通過非破壞性原位檢測技術，如根際原位成像實驗，研究了籽粒莧（Amaranthus hypochondriacus）系統中土壤中金屬的遷移和轉運的時空動態。研究結果直接揭示了根際O?、pH值、土壤酶活性和DGT檢測到的痕量金屬的空間分布模式。植物體內過量積累的鎘（Cd）、鉛（Pb）和鋅（Zn）會導致多種毒性癥狀，包括生長受抑制和生物量減少。通過二維成像技術，我們觀察了其根際效率與Cd、Pb和Zn吸收之間的空間關系。隨著時間的推移，O?濃度先升高后降低，根際pH值變得更堿性，土壤酶活性增加。在各個區域中，根際土壤的O?、pH值和土壤酶活性均高于非根際土壤，且這些因素的變化主要集中在根系。通過結合平面光極（PO）、薄膜擴散梯度（DGT）和土壤酶譜分析技術，我們揭示了土壤中污染物的遷移和轉化過程，進一步增進了我們對土壤和沉積物中生物地球化學過程的理解。然而，本研究提出的方法存在一定局限性。例如，由于平面光極（PO）主要依賴光學測量，根際O?和pH值的測量精度可能會受到環境因素的影響。通過優化土壤參數和分析條件，并結合解吸電噴霧電離質譜（DESI-MS）、DGT、PO和酶譜分析技術，將進一步研究根-土界面根系分泌物的原位分布與重金屬土壤環境參數（如溶解氧、pH值和酶活性）之間的一般規律和具體差異。

在桂林理工大學蔣萍萍和游少鴻團隊的研究中，智感環境的DGT和PO技術在籽粒莧根際微環境中激活痕量重金屬機制的研究中發揮了重要作用。DGT技術能夠評估土壤中重金屬的生物可利用性，通過測量特定時間內通過擴散膜的離子量來計算土壤中重金屬的濃度，從而準確評估其對植物的潛在風險。同時，DGT技術還能原位監測重金屬在土壤固液界面上的動態平衡過程，捕捉其在土壤中的遷移路徑和轉化規律，為深入理解籽粒莧根際微環境中重金屬的激活機制提供關鍵數據支持。此外，DGT技術還可用于評估修復效果，為選擇最佳的修復方案提供依據，并監測修復過程中重金屬的動態變化，為優化修復策略提供科學依據。