平面光极案例分享：湿地植物根际区磷循环的高分辨率成像研究

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本次分享一篇由中国科学院南京地理与湖泊研究所、中国科学院地球化学研究所团队在《Water Research》上发表的一篇学术论文--Root-mediated acidification, phosphatase activity and the phosphorus-cycling microbial community enhance phosphorus mobilization in the rhizosphere of wetland plants。湿地植物的根际修复是一种环境友好型的沉积物磷（P）去除策略，依赖根系与微生物之间相互作用。本研究利用高分辨采样和成像、宏基因组测序等方法，研究了湿地植物根际中磷的固定和动员机制。磷、铁（Fe）和锰（Mn）的二维空间分布表明，铁氧化物吸附而非锰氧化导致了根际活性磷的耗竭，铁结合态磷组分增加支撑了这一论点。植物根系通过改变根际环境和磷循环微生物群落，从沉积物中获取低有效性磷。通过局部酸化和增加的磷酸酶活性，分别增强了矿物磷的溶解和有机磷的矿化。根际中磷溶解和矿化基因（gcd和phnW）相对丰度增加，以及磷转运基因（ugpA、ugpB和pit）基因减少，表明微生物活化磷的潜能增加、同化磷的潜能降。上述活化磷的过程导致培养期间湿地植物根际中10.04%无机磷和15.23%有机磷的再动员。然而，上述过程并不能补偿根系吸收和矿物固定导致的根际磷耗竭。研究结果为根际磷循环过程与机制提供了新的见解，有助于指导未来的植物修复策略。

在本文中，平面光极（Planar Optodes, PO）技术被用于成像，以监测和分析湿地植物根际区（rhizosphere）中的氧气（O₂）和pH值的分布。以下是平面光极技术在本文中的应用细节：

1. 氧气和pH值的监测：通过将O₂和pH敏感的光极固定在可拆卸的窗口上，研究人员能够在根际区进行O₂和pH的成像。这些光极能够测量根际区中的O₂浓度和pH水平，这些参数对于理解植物根系与微生物相互作用以及磷循环过程至关重要。

2. 成像系统：使用的成像系统包括405纳米的发光二极管（LEDs）、互补金属氧化物半导体（CMOS）相机以及一个控制器，该控制器能够同时控制LEDs和相机。

3. 数据分析：通过提取O₂图像的红色和绿色通道以及pH图像的绿色和蓝色通道，计算得出O₂浓度和pH值。所有成像步骤都在暗室中进行，整个成像过程大约需要十秒，对根际区和沉积物环境的暗适应影响几乎可以忽略不计。

4. 高分辨率成像：通过高分辨率成像技术，研究人员能够将每个像素点的信号值（包括荧光强度、灰度值和信号强度）转换为分析物浓度或通量信息。

5. 根际区磷循环：通过PO成像技术获得的O₂和pH值的分布数据，结合其他技术如扩散梯度薄膜（DGT）和土壤酶谱法（zymography），研究人员能够更全面地了解根际区中磷的固定和动员机制。

6. 研究假设：研究假设湿地植物会通过调节局部酸化、增加磷酸酶活性和改善微生物磷的溶解和矿化来响应由根系吸收和矿物固定作用引起的磷缺乏条件。

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平面光极技术的应用使研究人员能够在微尺度上可视化根际区的生物地球化学过程，这对于揭示植物根系如何影响其周围环境以及如何通过微生物相互作用来调节磷循环具有重要意义。

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平面光极技术是当今先进的光电传感技术之一，智感环境团队基于这种技术，相继开发出了一种封闭式平面光极设备(PO2100)和一种便携式平面光极设备(PO1100)，可实现pH、DO和CO₂的实时高分辨率检测，这在光电传感技术领域是-项重大的突破。2020年智感环境的PO1100设备成功走进法国波尔多大学，为“中国制造"赢得了世界的尊重!