平面光极(PO）技术根际监测溶解氧（DO）和pH检测的案例

本次分享一篇由浙江大学徐建明团队在《PNAS》上发表的一篇学术论文“Dynamic in situ detection in iRhizo-Chip reveals diurnal fluctuations of Bacillus subtilis in the rhizosphere”

微生物在根际的有效定殖对于建立宿主植物的有益共生关系至关重要。土壤栖居细菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）常与植物及其根际共生，因其有助于植物生长、抑制病原体并有助于可持续农业实践而备受关注。然而，由于现有的原位检测技术的限制，关于B. subtilis在根际内的动态分布及其与植物根系的相互作用机制的研究仍不足。为了实现根际环境的动态原位检测，我们建立了基于微流控技术的iRhizo-Chip平台。使用该设备研究根际微生物的行为，我们发现B. subtilis在根际内的生长存在明显的昼夜波动。对根际溶解氧（DO）、pH、溶解有机碳和活性氧物种的时空动态分析表明，B. subtilis的昼夜生长波动可能与多种环境因素有关。空间动态分析还显示，B. subtilis、DO和pH的空间分布变化相似。随后，通过体外控制实验，我们证明了根际DO和pH是B. subtilis日间生长波动的主要驱动力。研究结果表明，B. subtilis的生长受根际DO和pH的驱动，导致日间波动，而iRhizo-Chip是研究植物根际动态的有价值工具。

实验证明，iRhizo-Chip能够以高空间和时间分辨率实时监测根际土壤中的B. subtilis动态行为，为理解植物和微生物在自然条件下的复杂相互作用提供了新的途径，显著增强了我们对根际界面多因素动态的理解。观察到的B. subtilis的日波动强调了微生物群落对环境变化的响应性，与宿主植物的生理节律密切相关。这种相关性强调了将微生物群落的时间动态整合到微生物接种和生物肥料策略开发中的必要性，可能导致更有效和环保的农业实践。近年来，原位研究方法要么依赖于过度简化的模拟环境，要么难以实现高分辨率。尝试使用微流体系统对植物根系进行水培，以及结合使用允许控制养分供应的透明土壤，仍然远离实际的根际土壤环境的复杂性，并且在耦合分析各种根际环境因素及其动态变化方面也不太有效。iRhizo-Chip的应用代表了根际研究的实质性进展，从通常依赖于破坏性采样方法来分析理化和微生物学特性的传统研究中转变过来。同时，考虑到iRhizo-Chip与各种原位技术的高兼容性，它进一步增强了我们评估根际界面中关键元素如氮和硫的区域循环行为的能力。此外，iRhizo-Chip的动态原位检测能力为根际微生物动态提供了宝贵的见解，对环境可持续性和农业创新的未来具有重要意义。在这方面，iRhizo-Chip被证明是研究根际界面多因素耦合动态生化过程的有效和可靠工具。它提供了至关重要的见解，对于优化农业方法、降低环境风险和促进可持续土地管理策略至关重要。这个工具不仅增强了我们对根际动态的理解，而且还促进了科学发现在实际、环保的农业实践中的应用。

在这篇文章中，平面光极技术（Planar Optode, PO）起到了监测根际环境中溶解氧（DO）和pH值的关键作用。具体来说，它与iRhizo-Chip结合使用，能够提供高时空分辨率的数据，帮助研究人员动态监测和分析根际中这些环境因素的变化。通过使用平面光极技术，研究人员能够实时记录根际的DO和pH变化，从而揭示这些因素如何影响芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的生长和分布。这种监测对于理解根际微生物的动态行为及其与植物根系的相互作用至关重要。平面光极技术是当今先进的光电传感技术之一，智感环境团队基于这种技术，相继开发出了一种封闭式平面光极设备(PO2100)和一种便携式平面光极设备(PO1100)，可实现沉积物/土壤/植物根际/水体中pH、DO和CO₂的实时高分辨率检测，这在光电传感技术领域是一项重要的突破。