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吸收的直接證據：以苦草為例

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

《整體環境科學》，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）和薄膜擴散梯度（DGT）技術，直接觀察水生植物苦草根際磷的遷移過程。結果表明，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。根際出現磷和鐵的同時釋放，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酸，草酸占主導（87.5%）。根分泌物比去離子水更有效提取鐵斑塊中的磷和鐵，草酸貢獻了提取鐵和磷的67%和75%。鐵斑塊富集磷和草酸絡合鐵（III）的耦合過程顯著增強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員過程，探討鐵斑塊和有機酸在磷吸收中的作用機制，以驗證苦草根際磷增強吸收的假設，并揭示根際微環境中的磷循環動態。

 

研究思路

研究思路包括使用苦草進行微宇宙實驗，設置不同處理（如均質化和自然沉積物、低磷和高磷條件），應用HR-Peeper技術測量孔隙水中的SRP和可溶性鐵，Zr-oxide DGT技術獲取二維labile P分布圖像，同時分析根分泌物中有機酸組成，并通過掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）觀察鐵斑塊元素分布。數據通過統計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。

 

測量的數據及研究意義

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。數據來自Fig.2。研究意義是證實根際氧釋放（ROL）提高氧化環境，促進鐵斑塊形成，為磷的吸附-解吸提供基礎。

 

2. 孔隙水SRP和可溶性鐵濃度：HR-Peeper測量顯示根際出現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。數據來自Fig.3和Fig.4。研究意義是直接證明根際磷和鐵的同時釋放，表明有機酸絡合作用解放鐵斑塊中的磷，增強磷生物有效性。

 

 

3. DGT-labile P二維分布：Zr-oxide DGT圖像顯示根際labile P分布不均勻，出現低通量區，表明鐵斑塊吸附磷導致局部磷減少。數據來自Fig.6。研究意義是可視化根際磷的異質性，驗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。數據來自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%）、蘋果酸等有機酸，根分泌物提取鐵斑塊磷和鐵的效果優于去離子水。數據來自Table 3和Table 4。研究意義是揭示草酸主導的絡合機制解放磷，解釋根際磷活化途徑。

 

 

結論

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

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

3. 鐵斑塊富集和有機酸絡合的耦合過程是水生植物適應低磷環境的關鍵策略，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的直接證據，強調了微環境測量技術在高分辨率研究中的重要性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（如RD-500型號）測量氧化還原電位（Eh）和氧氣微剖面，提供了高精度、實時的根際微環境數據。研究意義在于：該電極能以毫米級分辨率捕獲根際Eh動態，直接驗證根際氧釋放（ROL）導致的氧化條件，這是鐵斑塊形成的前提。例如，數據顯示根際Eh值比非根際平均提高1.49-2.54倍（Fig.2），證實了植物驅動的氧化微環境，促進了鐵（II）氧化為鐵（III）并沉淀為鐵斑塊。這為理解磷的吸附-解吸循環提供了關鍵參數，突顯了微電極在揭示根際生物地球化學過程中的價值。此外，Unisense電極的高靈敏度允許檢測微小變化，支持了根際異質性的量化，提升了水生植物生態生理研究的準確性。總體，該數據強化了根際過程機制的直接證據，推動了微環境研究技術的發展。