鐵作為地殼中豐度最高的氧化還原敏感元素，對(duì)湖泊沉積物的氧化還原作用具有重要的指示意義.水生植物根系泌氧在根際形成微域的氧化圈，根際是氧化、還原同時(shí)發(fā)生的生物活躍區(qū).以輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)為研究對(duì)象，利用微電極和熒光定量PCR探討根系泌氧作用對(duì)沉積物中典型鐵氧化菌(嘉利翁氏菌)和典型鐵還原菌(地桿菌)的影響.結(jié)果表明，輪葉黑藻生長(zhǎng)迅速，通過(guò)根系泌氧作用影響沉積物中鐵的價(jià)態(tài)和形態(tài)，是根際鐵循環(huán)的重要參數(shù)，并對(duì)根際微區(qū)微生物有一定的影響.根系泌氧使根際嘉利翁氏菌和地桿菌數(shù)量增加，進(jìn)一步影響根際微生物鐵循環(huán).實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為微生物對(duì)根際鐵循環(huán)的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

微生物是湖泊沉積物鐵循環(huán)的核心參與者，鐵氧化菌和鐵還原菌在營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)及微量元素的遷移轉(zhuǎn)化等方面的重要作用，使二者成為目前研究的熱點(diǎn).本研究選取黑藻為研究對(duì)象，研究其根系泌氧作用對(duì)沉積物中鐵形態(tài)及其對(duì)根際沉積物中嘉利翁氏菌和地桿菌的影響，旨在探討植物根系泌氧作用對(duì)沉積物中鐵循環(huán)的影響。

本研究主要選取浙江省東錢湖(29°52′N,121°34′E)沉積物為研究對(duì)象.用彼得森采泥器采集湖中心0～10 cm表層新鮮沉積物，置于便攜式冰箱快速帶回實(shí)驗(yàn)室，鮮泥直接過(guò)80目篩(避免沉積物中大顆粒物損壞電極)，過(guò)篩后混勻，待其自然沉降1 d后備用，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)沉積物總氮(TN)含量為2.590.14 mg/g，總磷(TP)含量為0.120.03 mg/g，有機(jī)質(zhì)(OM)含量為13.41%1.66%，總鐵(TFe)含量為13.460.44 mg/g，亞鐵(Fe(Ⅱ))含量為6.740.17 mg/g，pH值為7.040.05。

實(shí)驗(yàn)用黑藻采自云南滇池草海，采集后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來(lái)水沖洗數(shù)次并去除里面混雜的水草及其他藻類，然后于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)馴化培養(yǎng)，備用。

將50 ml注射器頂端截掉，用注射器自帶的活塞塞住底部(圖1)，加入7 cm左右厚的沉積物，靜置一夜.取性狀一致、長(zhǎng)度均為5 cm的黑藻扦插于注射器內(nèi)，用錫箔紙包裹注射器，保證不透光.對(duì)照組不扦插黑藻，其余同實(shí)驗(yàn)組，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組各設(shè)置18個(gè)重復(fù).放入整理箱(70 cm×50 cm×50 cm)中，小心注入自來(lái)水，使水深保持在40 cm左右.放入恒溫室內(nèi)培養(yǎng)，溫度為25℃培養(yǎng)，12 h/12 h光照/遮光(1500 lx/0 lx).實(shí)驗(yàn)中每天用蒸餾水補(bǔ)足蒸發(fā)減少的水分，培養(yǎng)周期為60 d，每10 d取1次樣，取樣方法為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組各隨機(jī)取出3支注射器用于后續(xù)測(cè)定。

取樣時(shí)，小心取出注射器，先用微電極測(cè)定植物周圍2 mm處溶解氧的微觀剖面，然后進(jìn)行破壞性取樣，并將粘附在植物根上的沉積物定義為根際沉積物[18]，對(duì)照組去除表層的沉積物(1 cm)后定義為非根際沉積物，小心收集后，20℃保存用于理化性質(zhì)的測(cè)定和DNA的提取。

沉積物總鐵(TFe)和亞鐵(Fe(Ⅱ))用3 mol/L HCl提取16 h后，5000轉(zhuǎn)/min離心5 min，上清液用2,2-聯(lián)吡啶分光光度法測(cè)定[19].為研究沉積物中鐵氧化物的結(jié)晶度以及生物可利用性，采用5步連續(xù)提取的方法[11]獲得沉積物中不同形態(tài)的鐵.具體做法為：先用1.0 mol/L MgCl2(pH=5)提取可交換態(tài)鐵，再用0.1 mol/L焦磷酸鈉提取有機(jī)結(jié)晶態(tài)鐵，然后用0.2 mol/L草酸/草酸銨(pH=3)提取貧結(jié)晶態(tài)鐵，再用DCB溶液(含0.03 mol/L Na3C6H5O7·2H2O,0.125 mol/L NaHCO3和0.06 mol/L Na2S2O4)提取強(qiáng)結(jié)晶態(tài)鐵，最后用濃硝酸提取剩余鐵.所有的提取液用2,2-聯(lián)吡啶分光光度法測(cè)定其中的鐵。

沉積物-水界面的微觀剖面利用微電極進(jìn)行測(cè)量(圖1).實(shí)驗(yàn)用穿刺型氧電極(OXY25,?=25μm,Unisense，丹麥)研究沉積物-水界面幾毫米至幾厘米內(nèi)的變化.具體做法是：先將微電極連接在四通道主機(jī)(Unisense，丹麥)上進(jìn)行極化和校正.在穿刺樣品時(shí)將微電極安裝在1個(gè)馬達(dá)控制器(MC-232,Unisense，丹麥)上，用顯微操縱器控制(MM 33,Unisense，丹麥)將電極和電腦相連.通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)(響應(yīng)時(shí)間為3 s，步距均為500μm)來(lái)研究沉積物-水界面剖面微尺度上的變化.實(shí)驗(yàn)時(shí)在黑藻根系周圍2 mm以內(nèi)進(jìn)行穿刺(圖1)。

黑藻各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均隨培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著增加，其中，葉片是黑藻進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，黑藻生長(zhǎng)迅速，生物量不斷增加.黑藻根系隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速生長(zhǎng)，尤其表現(xiàn)在根系生物量的增加(表2).

表2不同時(shí)間黑藻生長(zhǎng)狀況*

*數(shù)據(jù)為平均值標(biāo)準(zhǔn)差，同列上標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

根際微區(qū)溶解氧濃度的垂直剖面變化

為了研究種植黑藻后對(duì)沉積物-水界面微觀剖面的影響，利用微電極原位研究溶解氧(DO)濃度垂直剖面的變化，結(jié)果顯示，黑藻組水體DO濃度為174μmol/L，而對(duì)照組僅為137μmol/L(圖2a)，這說(shuō)明黑藻的存在使水體DO濃度增加.當(dāng)微電極進(jìn)入泥水界面后，DO濃度迅速下降，至界面下3 mm左右處降為0.當(dāng)微電極繼續(xù)向下到7 mm左右，出現(xiàn)1個(gè)明顯的峰值，峰值大小為40μmol/L，峰寬為8 mm，顯著大于黑藻根莖(約1 mm)，這進(jìn)一步說(shuō)明黑藻根系泌氧的存在。

從有氧層厚度來(lái)看，對(duì)照組有氧層厚度為5.5 mm左右(圖2b)，且隨時(shí)間變化不明顯.種植黑藻后有氧層厚度顯著增加(P&lt;0.05)，均大于8 mm，且隨培養(yǎng)時(shí)間呈增加的趨勢(shì)，說(shuō)明黑藻能使沉積物中DO濃度增加。

圖2沉積物-水界面DO垂直剖面變化(培養(yǎng)40 d)(a)和有氧層厚度變化(b)

黑藻對(duì)沉積物-水界面溶解氧濃度的影響

沉積物-水界面的溶解氧濃度主要受植物根系泌氧和沉積物自身耗氧等因素的影響.本研究利用微電極技術(shù)，原位確定了根系泌氧的存在(圖2a)。水生植物根系泌氧是植物在長(zhǎng)期淹水缺氧環(huán)境中自然選擇的結(jié)果，通過(guò)植物組織內(nèi)部強(qiáng)大的通氣組織來(lái)實(shí)現(xiàn)。黑藻通過(guò)葉片進(jìn)行光合作用產(chǎn)生O2，通過(guò)莖、根等通氣組織輸送到植物根系，供根系呼吸、通氣組織是具有巨大空間的海綿組織，它能夠在植物組織內(nèi)部為氣體存儲(chǔ)和交換提供一個(gè)方便的內(nèi)部通道，使其傳送的氧氣被鄰近組織細(xì)胞消耗或擴(kuò)散到根尖和根際沉積物中[23]，并使沉積物-水界面有氧層厚度增加(圖2b)。

結(jié)論

1)黑藻的根系泌氧能使沉積物-水界面的溶解氧濃度增加，表層有氧層厚度增加。

2)黑藻通過(guò)根系泌氧作用將根際環(huán)境中Fe(Ⅱ)氧化，并改變沉積物中鐵的形態(tài)，是根際鐵循環(huán)的重要參數(shù)。

3)黑藻根系泌氧對(duì)根際耗氧微區(qū)微生物有一定的影響：根系泌氧使根際嘉利翁氏菌和地桿菌數(shù)量增加，進(jìn)一步影響根際微生物鐵循環(huán)。