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本次分享一篇由中國科學院南京地理與湖泊研究所、中國科學院地球化學研究所團隊在《Water Research》上發表的一篇學術論文--Root-mediated acidification, phosphatase activity and the phosphorus-cycling microbial community enhance phosphorus mobilization in the rhizosphere of wetland plants。濕地植物的根際修復是一種環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、宏基因組測序等方法，研究了濕地植物根際中磷的固定和動員機制。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致了根際活性磷的耗竭，鐵結合態磷組分增加支撐了這一論點。植物根系通過改變根際環境和磷循環微生物群落，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，分別增強了礦物磷的溶解和有機磷的礦化。根際中磷溶解和礦化基因（gcd和phnW）相對豐度增加，以及磷轉運基因（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致培養期間濕地植物根際中10.04%無機磷和15.23%有機磷的再動員。然而，上述過程并不能補償根系吸收和礦物固定導致的根際磷耗竭。研究結果為根際磷循環過程與機制提供了新的見解，有助于指導未來的植物修復策略。

在本文中，平面光極（Planar Optodes, PO）技術被用于成像，以監測和分析濕地植物根際區（rhizosphere）中的氧氣（O₂）和pH值的分布。以下是平面光極技術在本文中的應用細節：

1. 氧氣和pH值的監測：通過將O₂和pH敏感的光極固定在可拆卸的窗口上，研究人員能夠在根際區進行O₂和pH的成像。這些光極能夠測量根際區中的O₂濃度和pH水平，這些參數對于理解植物根系與微生物相互作用以及磷循環過程至關重要。

2. 成像系統：使用的成像系統包括405納米的發光二極管（LEDs）、互補金屬氧化物半導體（CMOS）相機以及一個控制器，該控制器能夠同時控制LEDs和相機。

3. 數據分析：通過提取O₂圖像的紅色和綠色通道以及pH圖像的綠色和藍色通道，計算得出O₂濃度和pH值。所有成像步驟都在暗室中進行，整個成像過程大約需要十秒，對根際區和沉積物環境的暗適應影響幾乎可以忽略不計。

4. 高分辨率成像：通過高分辨率成像技術，研究人員能夠將每個像素點的信號值（包括熒光強度、灰度值和信號強度）轉換為分析物濃度或通量信息。

5. 根際區磷循環：通過PO成像技術獲得的O₂和pH值的分布數據，結合其他技術如擴散梯度薄膜（DGT）和土壤酶譜法（zymography），研究人員能夠更全面地了解根際區中磷的固定和動員機制。

6. 研究假設：研究假設濕地植物會通過調節局部酸化、增加磷酸酶活性和改善微生物磷的溶解和礦化來響應由根系吸收和礦物固定作用引起的磷缺乏條件。

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平面光極技術的應用使研究人員能夠在微尺度上可視化根際區的生物地球化學過程，這對于揭示植物根系如何影響其周圍環境以及如何通過微生物相互作用來調節磷循環具有重要意義。

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平面光極技術是當今先進的光電傳感技術之一，智感環境團隊基于這種技術，相繼開發出了一種封閉式平面光極設備(PO2100)和一種便攜式平面光極設備(PO1100)，可實現pH、DO和CO₂的實時高分辨率檢測，這在光電傳感技術領域是-項重大的突破。2020年智感環境的PO1100設備成功走進法國波爾多大學，為“中國制造"贏得了世界的尊重!