平面光極技術(shù)是當(dāng)今先進(jìn)的光電傳感技術(shù)之一，智感環(huán)境團(tuán)隊(duì)基于該技術(shù)開發(fā)了封閉式平面光極設(shè)備，并成功將其應(yīng)用于沉積物-水微界面、水生動(dòng)植物和土壤植物根際環(huán)境的研究。
平面光極分析系統(tǒng)（PO）
該技術(shù)利用光化學(xué)傳感膜熒光成像原理，實(shí)時(shí)獲取水體、沉積物-水微界面、水生動(dòng)植物和土壤植物根際環(huán)境的DO、pH 以及 CO2等物理化學(xué)參數(shù)的二維分布及時(shí)空高分辨信息。
平面光極測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)
1、實(shí)時(shí)、快速地獲取微區(qū)DO/pH/ CO2的分布；非侵入性成像測(cè)量，不破壞原生環(huán)境；
2、配備1250w(便攜式)/2000w(封閉式)像素的CMOS相機(jī)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨率毫秒，空間分辨率亞毫米；
3、PO2100設(shè)備自帶封閉式箱體，滿足測(cè)定所需的暗室條件；
4、配套軟件集成校準(zhǔn)、獲取圖像、處理圖像于一體，操作簡(jiǎn)單；
5、與其他高分辨技術(shù)具有互補(bǔ)性。
平面光極設(shè)備適用于實(shí)驗(yàn)室模擬研究，測(cè)定時(shí)，將光化學(xué)傳感膜置于沉積物/土壤/植物根際與容器器壁之間，光敏物質(zhì)與分析物相互作用并伴隨熒光信號(hào)（強(qiáng)度、壽命）變化，利用數(shù)字成像技術(shù)（CMOS 相機(jī)）實(shí)時(shí)記錄其特征發(fā)射光譜，通過軟件分析，將被測(cè)物的含量在時(shí)間和空間上的變化進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。
光化學(xué)傳感膜 （需與PO設(shè)備配套使用）
設(shè)備分析軟件——軟件界面
平面光極技術(shù)可以用于多種實(shí)用場(chǎng)景中，下面我們簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)案例，例如：
WR：根系介導(dǎo)的酸化作用、磷酸酶活性以及磷循環(huán)微生物群落增強(qiáng)了濕地植物根際的磷動(dòng)員? ? ?
研究?jī)?nèi)容
濕地植物的根際修復(fù)是一種環(huán)境友好型的沉積物磷（P）去除策略，依賴根系與微生物之間相互作用。本研究利用高分辨采樣和成像、宏基因組測(cè)序等方法，研究了濕地植物根際中磷的固定和動(dòng)員機(jī)制。磷、鐵（Fe）和錳（Mn）的二維空間分布表明，鐵氧化物吸附而非錳氧化導(dǎo)致了根際活性磷的耗竭，鐵結(jié)合態(tài)磷組分增加支撐了這一論點(diǎn)。植物根系通過改變根際環(huán)境和磷循環(huán)微生物群落，從沉積物中獲取低有效性磷。通過局部酸化和增加的磷酸酶活性，分別增強(qiáng)了礦物磷的溶解和有機(jī)磷的礦化。根際中磷溶解和礦化基因（gcd和phnW）相對(duì)豐度增加，以及磷轉(zhuǎn)運(yùn)基因（ugpA、ugpB和pit）基因減少，表明微生物活化磷的潛能增加、同化磷的潛能降。上述活化磷的過程導(dǎo)致培養(yǎng)期間濕地植物根際中10.04%無機(jī)磷和15.23%有機(jī)磷的再動(dòng)員。然而，上述過程并不能補(bǔ)償根系吸收和礦物固定導(dǎo)致的根際磷耗竭。研究結(jié)果為根際磷循環(huán)過程與機(jī)制提供了新的見解，有助于指導(dǎo)未來的植物修復(fù)策略。
平面光極應(yīng)用
將DO和pH熒光膜（光化學(xué)傳感膜）置于沉積物/土壤/植物根際與容器器壁之間，在光源的激發(fā)下，DO和pH熒光膜把被測(cè)物含量轉(zhuǎn)換成光學(xué)信號(hào)，并用CCD相機(jī)捕獲這種熒光變化，通過不同的發(fā)射光強(qiáng)度進(jìn)行定量，通過平面光極設(shè)備配套分析軟件計(jì)算出DO濃度和pH值，從而生成根際中DO和pH的二維空間分布圖像，這些圖像有助于揭示根際中磷的固定和活化機(jī)制。
摘要圖
Li et al.,Water Research.,2024
根際中O2和pH的空間分布以及根系生長(zhǎng)的灰度圖像。
CARR：長(zhǎng)期施用生物炭影響根際磷及其伴生鐵和硫的轉(zhuǎn)化
研究?jī)?nèi)容
長(zhǎng)期施用生物炭對(duì)土壤磷（P）在水稻（Oryza sativa L.）根-土界面的通量及其在根際的可用性的影響尚不清楚。本研究使用薄膜擴(kuò)散梯度（DGT）、激光剝蝕感應(yīng)耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）和平面膜極傳感器技術(shù)，對(duì)施用生物炭10年后水稻根際土壤中磷、鐵（Fe）、硫（S）和微量元素通量、溶解氧和pH的二維異質(zhì)性和動(dòng)態(tài)進(jìn)行了原位表征。與對(duì)照（未施用生物炭）相比，以4.5、22.5和45.0 Mg ha?1 yr?1施用的生物炭分別使根際磷通量減少了11.6%、63.4%和79.0%。生物炭處理下磷通量的減少歸因于根際土壤中溶解氧降低導(dǎo)致的鐵和硫的氧化還原狀態(tài)改變，以及土壤pH升高引起的可溶性無機(jī)磷沉淀為不可為作物吸收的難溶形式，如與鈣結(jié)合的磷和殘余磷。較高施用量的生物炭導(dǎo)致水稻根際中砷（As）和鉛（Pb）通量降低，以及作物對(duì)它們的可用性降低。在施用生物炭10年后，對(duì)水稻根際的微米級(jí)原位觀測(cè)結(jié)果直接顯示了長(zhǎng)期生物炭和根際異質(zhì)性對(duì)磷轉(zhuǎn)化過程的復(fù)雜影響。
平面光極的應(yīng)用
平面光極技術(shù)的應(yīng)用使得研究者能夠在微觀尺度上觀察和量化根際中的生物地球化學(xué)過程，為理解植物根部如何調(diào)節(jié)根際環(huán)境以及植物與微生物之間的相互作用提供了有力的工具。在本研究中，PO技術(shù)用于生成根際中DO和pH的空間分布圖像，這些圖像有助于揭示根際中磷的轉(zhuǎn)化過程，并為長(zhǎng)期施用生物炭對(duì)土壤磷循環(huán)的影響提供了直觀信息。
Yuan et al., Carbon Research., 2024
在施用生物炭十年后，通過平板膜電極傳感器和HR-ZCA DGT 2D成像測(cè)量的溶解氧（DO）、pH以及可溶性磷（labile P）、鐵（Fe）和硫（S）通量的特征
? Chemosphere：高分辨率化學(xué)成像用于理解巖溶土壤水稻根際中鎘的活化
研究?jī)?nèi)容
在具有高地球化學(xué)背景的水稻土中，特別是高空間分辨率下的鎘（Cd）活化尚未被充分理解。為了研究水稻根際中Cd活化的時(shí)空模式，使用來自中國(guó)西南部廣西的四種高地球化學(xué)背景的稻田土壤（Cd含量0.11-3.70 mg kg-1）進(jìn)行了盆栽和根際實(shí)驗(yàn)。盆栽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，土壤孔隙水中的Cd濃度在水稻整個(gè)生長(zhǎng)期間先下降后上升，在晚期分蘗和早期灌漿階段達(dá)到低值。此外，相關(guān)性分析確定了有機(jī)質(zhì)和根系錳（Mn）含量是影響水稻Cd吸收的主要因素，其中Mn對(duì)Cd吸收有負(fù)面影響，而有機(jī)質(zhì)則有正面影響。亞毫米級(jí)二維化學(xué)成像揭示了根際中有效態(tài)Cd（通過DGT）的分布受到根系和土壤性質(zhì)的影響（如pH（通過平面光極分析）和酸性磷酸酶活性（通過土壤酶譜分析）。土壤酸性磷酸酶活性在Cd脅迫下增加，水稻根際的整體pH降低。此外，土壤根際中有效態(tài)Mn和Cd的空間分布之間存在密切關(guān)系，較高的Mn與較低的Cd不穩(wěn)定相關(guān)。本研究強(qiáng)調(diào)了Mn作為調(diào)節(jié)水稻Cd吸收的關(guān)鍵元素，并為未來解決水稻土特別是高地球化學(xué)背景巖溶地區(qū)鎘污染的基于錳的策略提供了啟示。
平面光極的應(yīng)用
將pH熒光膜（光化學(xué)傳感膜）置于沉積物/土壤/植物根際與容器器壁之間，在光源的激發(fā)下，pH熒光膜把被測(cè)物含量轉(zhuǎn)換成光學(xué)信號(hào)，并用CCD相機(jī)捕獲這種熒光變化，通過不同的發(fā)射光強(qiáng)度進(jìn)行定量，通過平面光極設(shè)備配套分析軟件計(jì)算出pH值，從而生成根際中pH的二維空間分布圖像，這些圖像有助于理解植物根部如何通過改變根際環(huán)境來提高磷的有效性。
Li et al., Chemosphere., 2023
A (A)和C (b)土壤酸性磷酸酶活性(pmol cm?2 h?1)的直方圖分布，以及b (C)和C (d)土壤pH的分布。(A)和(b)中的數(shù)字表示Cd脅迫下酸性磷酸酶的反應(yīng)強(qiáng)度。
? ESS：不同鉻暴露條件下李氏禾根際pH的空間動(dòng)態(tài)變化
研究?jī)?nèi)容
超積累植物的根能顯著改變土壤pH值，從而改變根際鉻（Cr）的有效性。目前對(duì)于鉻超積累植物李氏禾根際pH的動(dòng)態(tài)變化尚不清楚。本研究采用平面光極技術(shù)(PO)研究了不同Cr暴露條件下李氏禾根際pH的空間動(dòng)態(tài)變化，以及不同鉻濃度對(duì)土壤生物量、生理參數(shù)和土壤酶活性的影響。研究結(jié)果表明：李氏禾根際pH具有高度的異質(zhì)性，且與根的形狀密切相關(guān)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組的土壤酸化均顯著，對(duì)照組、Cr50和Cr100組的平均pH值分別降低了0.26、0.27和0.35 pH單位。在一定濃度(50 mg kg-1)下，Cr顯著提高了李氏禾的株高和生物量(p < 0.05)。葉片中葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素濃度隨Cr濃度的增加而升高。根際酸性磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性均高于周邊土壤。該研究結(jié)果為闡明Cr的超積累機(jī)制和提高植物修復(fù)效率提供了新的思路。
平面光極的應(yīng)用
在本研究中，平面光極（PO）技術(shù)用于生成李氏禾根際中pH的空間分布圖像，這些圖像有助于揭示根際中鉻的活化模式，并為開發(fā)針對(duì)性策略提供有價(jià)值的見解。平面光極技術(shù)的應(yīng)用使得研究者能夠在微觀尺度上觀察和量化根際中的生物地球化學(xué)過程，為理解植物根部如何調(diào)節(jié)根際環(huán)境以及植物與微生物之間的相互作用提供了有力的工具。
李氏禾根際培養(yǎng)體系示意圖(a)和平面光極實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(b)。
Ding et al., Ecotoxicology and Environmental Safety., 2023
不同鉻處理下李氏禾根系pH值的空間變化。紅色框表示pH敏感熒光膜的成像區(qū)域。
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