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JES南信大、南京地湖所:NMT发现菹草根际吸O2促P固定以去除富营养水体中的P

转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

微信图文链接

 

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感谢本文一作,南京信息工程大学袁和忠副教授校稿

 

 

基本信息

主题:NMT发现菹草根际吸O2促P固定以去除富营养水体中的P

期刊:Journal of Environmental Sciences

影响因子:4.302

研究使用平台:NMT水生植物创新平台

标题:Phosphorus removal from sediments by Potamogeton crispus: New high-resolution in-situ evidence for rhizosphere assimilation and oxidization-induced retention

作者:袁和忠(南京信息工程大学),尹洪斌(中国科学院南京地理与湖泊研究所)
 

 

检测离子/分子指标

O2、H+

 

检测样品

菹草根成熟区(距根尖顶端2 mm 根表上的点)

 

中文摘要

       在富营养化的水生生态系统中,通常选择沉水植物作为植物修复工具来去除P,但试验方法的缺乏阻碍了对去除机理和应用的认识。本研究采用薄膜扩散梯度技术(Diffusive gradients in thin films, DGT)、平面光极技术(Planar optode, PO)和非损伤微测技术(Non-invasive micro-test technology, NMT)相结合的新技术,探索菹草在水-沉积物连续体和其根际随时间的动态变化。高分辨率原位测量结果表明,经过30 d的培养期,表层沉积物的活性磷(LPDGT)通量从约120、140、200 pg /(cm2·sec)显著下降到17、40、56 pg /(cm2·sec)。上覆水中LPDGT没有明显的同步升高,说明随着时间的推移,根系部位对溶解态活性P的同化强烈。PO测定表明,随着根系向下伸展,根际周围O2浓度显著增加,径向向深层沉积物扩散直至100%饱和。根的NMT检测结果表明,在不同处理条件下,O2通过通气组织从周围环境中流入根组织,最高流速为30 pmol /(cm2·sec)。与以往报道不同的是,根际周围逐渐饱和的O2浓度主要是由O2通过间隙渗透驱动,主要由根系向下伸展引起的,而非根系O2外排渗漏。随着时间的推移,深层沉积物中O2浓度增加,最终导致活性Fe(Ⅱ)氧化成Fe(Ⅲ),结合P导致局部P固定。

 

离子/分子流实验处理

0 mg/L(control, M0)、0.01 mg/L(M1)、0.1 mg/L(M2)、0.5 mg/L(M3)磷酸盐培养24 h

 

离子/分子流实验结果

       同时测定不同磷酸盐浓度培养基处理后菹草根际附近的净O2和H+流速,结果如图1所示。在所有培养条件下,根表面成熟区均有显著的O2吸收。在含磷培养基中培养的根系附近,持续稳定的O2同化流速为-24.1~-19.3 pmol/(cm2·sec),高于超纯水的平均净O2流速(-27.5 pmol/(cm2·sec))。在根表面成熟区测得H+的内流和外排。但对于大多数样品来说,平均H+流速<0 pmol/(cm2·sec)。

 

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图1. 不同磷酸盐浓度培养24 h后菹草根成熟区表面O2(c)和H+(d)外排和吸收速率。WP是指在去离子水中培养,M1-3分别是在低、中、高磷酸盐浓度的培养液中孵育。正值表示O2和H+外排,负值表示O2和H+吸收。

 

其它实验结果

  • 所有的微宇宙培养系统环境中Fe、总磷(TP)和溶解性活性磷(SRP)的浓度随着时间的推移而下降。

  • 在高P培养基中培养的植物比低P培养基中培养的植物SOD、POD、ATP和叶绿素浓度更高。

  • LPDGT通量表现出先上升后下降的趋势,在所有条件下,LPDGT通量均低于15 d处理。

  • 培养后水-沉积物界面下约2.5 cm处LPDGT浓度显著升高,30 d后间隙水SRP下降>75%。

  • 在低和高P处理中,沉积物中O2的浓度和穿透深度随时间的推移而急剧增加,根系周围O2热点扩大。根系逐渐生长并向下蔓延到沉积物的深层,O2的饱和度随着时间的推移而增加,在根系的上部(特别是在基底位置),O2的饱和度高达100%。而根尖区的O2饱和度下降到<10%。

  • 检测不同处理后菹草中的P组分后发现,Pi和Po的浓度占TP的比例大致相等(约50%)。在低P培养基中培养15 d和30 d的植物,Pi、Po和TP的值都高于高P培养基。然而,30 d后(与15 d相比),菹草中的P的质量更高。

  • 表层沉积物(5 cm深)中不同P库的浓度一般按照NaHCO3-P>Fe/Al-P>Ca-P>H2O-P的顺序下降。

 

结论

微宇宙培养实验结合高分辨率原位DGT、PO和NMT技术,实现了对沉水植物菹草根际微环境的高时空分辨率成像和测量。培养30 d后,LPDGT值先升高后降低。PO测定表明,根际O2增加,径向扩散进入更深的沉积物层。根系表面的NMT测量表明,O2通过通气组织从周围区域进入根系进行代谢和生长供给。根际间隙水中O2浓度的增加(最高可达100%)主要是由根系O2向下伸展渗透引起的,而非O2外排(ROL)驱动的。活性Fe(II)向Fe(III)的强氧化对活性P在沉积物中的固持起着至关重要的作用。由于根际O2浓度的增加,根系同化和P固定导致沉积物中活性P浓度降低。本研究结果表明,菹草等沉水植物能有效地去除和固定富营养化水生生态系统中的P。

 

测试液

0.1 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, 0.5 mM NaCl, 0.3 mM MES, 0.2 mM Na2SO4, pH 6.0

 

仪器采购信息

 

  • 据中关村NMT产业联盟了解,中国科学院南京地理与湖泊研究所于2019年采购了美国扬格公司的非损伤微测系统。

 

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.jes.2021.04.010

 

关键词:除磷;菹草;薄膜扩散梯度技术(DGT);平面光极技术(PO);非损伤微测技术(NMT);根际