Direct evidence for the enhanced acquisition of phosphorus in the rhizosphere of aquatic plants: A case study on Vallisneria natans

水生植物根際磷增強(qiáng)吸收的直接證據(jù)：以苦草為例

來源：Science of the Total Environment, volumes 616-617, 2018, pages 386-396

《整體環(huán)境科學(xué)》，第616-617卷，2018年，386-396頁

 

摘要

摘要闡述了研究通過高分辨率透析（HR-Peeper）和薄膜擴(kuò)散梯度（DGT）技術(shù)，直接觀察水生植物苦草根際磷的遷移過程。結(jié)果表明，苦草根表形成的鐵斑塊富集了磷和鐵，與無根際沉積物相比，磷和鐵濃度分別提高5.92倍和3.12倍。根際出現(xiàn)磷和鐵的同時(shí)釋放，可溶性活性磷（SRP）濃度最高增加114倍。根分泌物中檢測到五種低分子量有機(jī)酸，草酸占主導(dǎo)（87.5%）。根分泌物比去離子水更有效提取鐵斑塊中的磷和鐵，草酸貢獻(xiàn)了提取鐵和磷的67%和75%。鐵斑塊富集磷和草酸絡(luò)合鐵（III）的耦合過程顯著增強(qiáng)了苦草根際對磷的獲取。

 

研究目的

研究目的是直接觀察水生植物根際磷的動(dòng)員過程，探討鐵斑塊和有機(jī)酸在磷吸收中的作用機(jī)制，以驗(yàn)證苦草根際磷增強(qiáng)吸收的假設(shè)，并揭示根際微環(huán)境中的磷循環(huán)動(dòng)態(tài)。

 

研究思路

研究思路包括使用苦草進(jìn)行微宇宙實(shí)驗(yàn)，設(shè)置不同處理（如均質(zhì)化和自然沉積物、低磷和高磷條件），應(yīng)用HR-Peeper技術(shù)測量孔隙水中的SRP和可溶性鐵，Zr-oxide DGT技術(shù)獲取二維labile P分布圖像，同時(shí)分析根分泌物中有機(jī)酸組成，并通過掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）觀察鐵斑塊元素分布。數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)方法比較根際和非根際沉積物的差異，以評估磷的富集和釋放過程。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. Eh值垂直分布：使用Unisense RD-500微電極測量沉積物中的氧化還原電位，顯示根際Eh值顯著高于非根際，最高提升2.54倍。數(shù)據(jù)來自Fig.2。研究意義是證實(shí)根際氧釋放（ROL）提高氧化環(huán)境，促進(jìn)鐵斑塊形成，為磷的吸附-解吸提供基礎(chǔ)。

 

2. 孔隙水SRP和可溶性鐵濃度：HR-Peeper測量顯示根際出現(xiàn)SRP和鐵濃度峰值，SRP最高增加114倍，鐵濃度同步升高，且兩者正相關(guān)。數(shù)據(jù)來自Fig.3和Fig.4。研究意義是直接證明根際磷和鐵的同時(shí)釋放，表明有機(jī)酸絡(luò)合作用解放鐵斑塊中的磷，增強(qiáng)磷生物有效性。

 

 

3. DGT-labile P二維分布：Zr-oxide DGT圖像顯示根際labile P分布不均勻，出現(xiàn)低通量區(qū)，表明鐵斑塊吸附磷導(dǎo)致局部磷減少。數(shù)據(jù)來自Fig.6。研究意義是可視化根際磷的異質(zhì)性，驗(yàn)證鐵斑塊作為磷匯的角色。

 

4. 鐵斑塊元素組成：SEM/EDS分析顯示鐵斑塊富集鐵、磷、硅和錳，磷濃度比沉積物高5.92倍。數(shù)據(jù)來自Fig.7和Table 2。研究意義是量化鐵斑塊對磷的富集能力，支持其作為磷庫的功能。

 

 

5. 有機(jī)酸組成和磷提取：根分泌物分析檢測到草酸（占87.5%）、蘋果酸等有機(jī)酸，根分泌物提取鐵斑塊磷和鐵的效果優(yōu)于去離子水。數(shù)據(jù)來自Table 3和Table 4。研究意義是揭示草酸主導(dǎo)的絡(luò)合機(jī)制解放磷，解釋根際磷活化途徑。

 

 

結(jié)論

1. 苦草根際形成鐵斑塊，富集沉積物中的磷，作為臨時(shí)磷庫，但可能降低根際磷生物有效性。

2. 根分泌物中的有機(jī)酸（主要是草酸）通過絡(luò)合鐵（III）溶解鐵斑塊，釋放磷，導(dǎo)致根際SRP濃度顯著升高，增強(qiáng)植物對磷的獲取。

3. 鐵斑塊富集和有機(jī)酸絡(luò)合的耦合過程是水生植物適應(yīng)低磷環(huán)境的關(guān)鍵策略，尤其在磷匱乏沉積物中更為顯著。

4. 研究提供了根際磷循環(huán)的直接證據(jù)，強(qiáng)調(diào)了微環(huán)境測量技術(shù)在高分辨率研究中的重要性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極（如RD-500型號(hào)）測量氧化還原電位（Eh）和氧氣微剖面，提供了高精度、實(shí)時(shí)的根際微環(huán)境數(shù)據(jù)。研究意義在于：該電極能以毫米級分辨率捕獲根際Eh動(dòng)態(tài)，直接驗(yàn)證根際氧釋放（ROL）導(dǎo)致的氧化條件，這是鐵斑塊形成的前提。例如，數(shù)據(jù)顯示根際Eh值比非根際平均提高1.49-2.54倍（Fig.2），證實(shí)了植物驅(qū)動(dòng)的氧化微環(huán)境，促進(jìn)了鐵（II）氧化為鐵（III）并沉淀為鐵斑塊。這為理解磷的吸附-解吸循環(huán)提供了關(guān)鍵參數(shù)，突顯了微電極在揭示根際生物地球化學(xué)過程中的價(jià)值。此外，Unisense電極的高靈敏度允許檢測微小變化，支持了根際異質(zhì)性的量化，提升了水生植物生態(tài)生理研究的準(zhǔn)確性。總體，該數(shù)據(jù)強(qiáng)化了根際過程機(jī)制的直接證據(jù)，推動(dòng)了微環(huán)境研究技術(shù)的發(fā)展。