沉水植物根系泌氧驱动根际微界面磷迁移机制

The migration of phosphorus (P) across the sedimentary interface is one of important pathways controlling the eutrophication, which can be strongly affected by the radial oxygen loss (ROL) from the submerged macrophytes. However, our understanding of the relevant mechanisms has not been fully explored so far because of the unsatisfactory in the traditional methods with low-resolution (cm level) and 1D measurement. In this project, three 2D, high-resolution planar imaging technologies, i.e. planar optode (PO), diffusive gradient in thin films (DGT) and diffusive equilibrium in thin films (DET) will be firstly optimized and combined in a new in-situ instrument. The instrument described will be applied to in-situ investigate the effects of ROL from three dominate species, i.e. Potamogeton malaianus, Vallisneria natans, Potamogeton crispus in eutrophic lake Taihu on the P migration in the rhizosphere. The 2D spatiotemporal variations of ROL from the investigated plant at a submillimeter resolution and its major determinant will be studied. Meanwhile, the simultaneous variations of micro-environmental conditions and P migration in the rhizosphere at a 2D, high-resolution scale, which were affected by the ROL under different simulated conditions will be quantitatively characterized for exploring the major driving mechanisms responsible for the ROL effects on P migration in the rhizosphere. It is expected that this work could support the technical operations in P pollution control and ecological restoration of eutrophic lakes.

沉积物磷界面迁移是造成水体富营养化主要途径之一，沉水植物根系泌氧被证实是界面磷迁移的重要驱动因子，但长期以来，受限制于现有的一维、低分辨率的研究手段，相关驱动机制并未明确。本项目以富营养化太湖优势沉水植物马来眼子菜、苦草、菹草为研究对象，在对平面光电极、薄膜扩散梯度与薄膜扩散平衡等二维高分辨成像技术进行优化集成和装置化的基础上，原位高分辨获取沉水植物根系泌氧时空分布特征并明确关键控制因子；通过室内模拟实验，同步、高分辨获取根系泌氧、界面微环境与界面磷迁移的二维空间分布信息，深入分析三者之间响应驱动关系，结合湖区原位现场试验，阐明沉水植物根系泌氧驱动根际微界面磷迁移的主要机制，为富营养化湖泊磷污染治理与生态修复提供理论依据。

根际微界面是沉水植物影响磷迁移的核心区域，要想全面认识沉水植物对富营养化湖泊內源磷污染的生态调控功能，必须对根际微界面过程与机制重点研究。植物根系泌氧(ROL)是沉水植物最重要根际微界面过程之一，在维持沉水植物生存繁殖及调控界面磷迁移方面具有极重要作用。然而长期以来, 由于根际“黑箱”难观测性和高度时空异质性的特点，已有的根系研究方法进展缓慢，很大程度上成为制约ROL及其影响微界面磷迁移研究的瓶颈，相关驱动机制并未明确。本项目以基于平面光电极、薄膜扩散梯度等二维高分辨成像技术原位高分辨获取沉水植物ROL时空分布特征并明确关键控制因子；通过室内模拟实验，同步、高分辨获取ROL、界面微环境与界面磷迁移的二维空间分布信息，深入分析三者之间响应驱动关系，结合湖区原位现场试验，阐明沉水植物ROL驱动根际微界面磷迁移的主要机制，为富营养化湖泊磷污染治理与生态修复提供理论依据。取得主要研究成果如下：①发展了一种纳米型溶解氧平面光电极系统。该系统具有响应快速(< 2 s)、高分辨率监测(22 μm)、低检出限(> 2.4 μmol L-1 )、且具有明显的抗环境干扰能力，适合对异质较强根际微界面溶解氧的二维、动态分布信息进行实时获取；② 创新性的将化学吸附和荧光传感材料固定在单层薄膜上(<200 μm)，成功研制出一种新型复式传感器 (DOS)，并建立与之配套的双通道图像获取流程，首次实现了异质微界面多种环境参数同步、 高分辨(亚毫米级)获取监测;③ 首次原位、高分辨揭示了不同水生修复先锋物种如苦草、 菹草、马来眼子菜等沉水植物独特的ROL特征; 直观证实物种、温度、光照和水体溶氧是影响ROL差异性的关键因素；④ 系统研究根系活动(根系生长，根系分泌氧气和有机酸)对沉积物微界面磷迁移转化影响，从微尺度直观揭示了苦草根际微界面活性磷-氧二维分布信息及其时间(不同生长期、昼夜交替)变化特征, 阐明ROL过程可通过重塑根际-非根际不同 氧化层区和改变pH等微环境控制磷迁移的微观机制。