Dissipation gradient of pyrene in the rhizosphere of Potamogeton crispus L.

菹草根際中芘的消散梯度

來源：Ecological Engineering, Volume 106, 2017, Pages 10-16

《生態工程》，第106卷，2017年，10-16頁

 

摘要

摘要闡述了通過自設計的層狀根盒研究沉水植物菹草根際芘的降解梯度。30天實驗后，菹草在根表4毫米距離內顯著提高芘的消散率達16.7-24.5%。未種植處理中羥基化代謝物1-OH-芘的濃度是種植處理的1.4-15.5倍，且與芘濃度正相關。同時，菹草在根表8毫米距離內顯著提高好氧細菌生物量（通過PLFA含量指示）和多環芳烴降解菌數量。根表5毫米內沉積物氧化還原電位明顯改善。相關性分析表明芘消散比與PAH降解菌數量和好氧細菌生物量正相關。基于菹草影響的不同參數根際梯度區及相關性分析，得出結論：氧氣是沉積物中芘修復的限制因子。

 

研究目的

研究目的是利用自設計根盒探究菹草根際芘的消散梯度，闡明水生植物修復芘污染沉積物的關鍵限制因素，特別是氧氣在根際降解過程中的作用機制。

 

研究思路

研究思路包括使用自設計的六層根盒（分為根際區、近根際區和非根際區），在沉積物中添加芘（初始濃度13.0 mg·kg?1），種植菹草30天。測量不同距離帶（S1-S6，0-2mm至>10mm）的芘濃度、1-OH-芘濃度、沉積物氧化還原電位（使用Unisense微電極）、PAH降解菌數量、PLFA微生物群落結構。通過相關性分析（如Pearson分析）比較種植與未種植處理的差異，評估根際梯度效應及關鍵限制因子。

 

測量的數據及研究意義

1 芘濃度和消散比率：數據來自Table 1，顯示種植處理在S1區（0-2mm）消散比率最高（71.7%），隨距離增加而降低；S1和S2區（0-4mm）顯著高于未種植處理。研究意義是直接證明菹草根際效應對芘降解的增強作用，且作用范圍限于4mm內，為根際修復提供空間范圍依據。

 

2 1-OH-芘濃度：數據來自Table 2，顯示未種植處理濃度更高（1.4-15.5倍），且隨距離增加而升高。研究意義是表明菹草促進芘完全降解，減少毒性中間體積累，降低生態風險。

 

3 沉積物氧化還原電位：數據來自Fig.1，顯示種植處理在根表0-5mm內電位升高，峰值在根表，隨后下降并穩定；未種植處理無顯著變化。研究意義是驗證根際氧化微環境，為氧氣擴散梯度提供直接證據。

 

4 PAH降解菌數量：數據來自Table 3，顯示種植處理在S1-S4區（0-8mm）菌數更高（24.6-50.0%），S1區最高。研究意義是揭示微生物活性增強是芘降解的主要途徑，根際效應促進降解菌富集。

 

5 微生物群落結構（PLFA）：數據來自Table 4和Fig.2，顯示種植處理好氧菌和厭氧菌生物量在S1-S5區（0-10mm）升高，好氧菌主導；聚類分析顯示根際微生物群落改變。研究意義是證實根分泌物和氧氣共同調控微生物群落，好氧菌對降解貢獻更大。

 

 

 

結論

1 菹草在根表4毫米距離內顯著增強芘消散（16.7-24.5%），植物吸收貢獻可忽略（僅1.5%），微生物降解為主導途徑。

2 根際氧化還原電位升高區（0-5mm）與芘消散增強區（0-4mm）重疊，且芘消散與好氧菌生物量正相關（r=0.849），表明氧氣是芘修復的關鍵限制因子。

3 菹草根際效應促進好氧菌富集和微生物群落結構改變，根分泌物和氧氣擴散共同驅動降解梯度，但氧氣擴散范圍更小（5mm），決定修復效率邊界。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧化還原微電極（ tip直徑25μm）測量沉積物氧化還原電位，提供高分辨率（100μm步長）的根際微環境動態數據。研究意義在于：電極直接捕獲根表0-20mm范圍內的電位梯度（Fig.1），揭示菹草根際氧氣釋放導致電位升高（根表最高），并隨距離增加而衰減，電位變化率在0-3mm內最大（47.0 mV·mm?1）。該數據首次將根際氧化梯度與芘消散梯度耦合，證明氧氣擴散范圍（5mm）是降解增強的空間邊界。通過電位與好氧菌生物量正相關（r=0.673），量化了氧氣對微生物活性的調控作用，突顯Unisense電極在揭示根際生物地球化學過程中的精度優勢，為水生植物修復中氧氣限制機制提供實證基礎。