平面光极（PO）如何被用来量化沉水植物根际周围的溶解氧分布？

本次分享一篇由中国科学院生态环境研究中心曲久辉团队在《Water Research》上发表的一篇学术论文：Overlooked drivers of the greenhouse effect: The nutrient-methane nexus mediated by submerged macrophytes。这篇文章研究了沉水植物（Vallisneria natans）在不同营养条件下对水体和沉积物系统中甲烷排放的影响。具体来说，文章探讨了五个方面：1.沉水植物对水质的改善作用：研究了沉水植物在不同营养水平下对水体中溶解氧（DO）、pH值、反应性溶解磷（RSP）等水质参数的影响。2.沉水植物对甲烷排放的影响：通过动态室内实验，使用动态室方法（DC）来收集和量化由冒泡和扩散过程产生的甲烷排放通量。研究发现，沉水植物的生长和恢复过程加速了溶解氧的消耗，导致产甲烷菌（mcrA基因）数量增加，从而在高营养浓度下提高了甲烷排放通量。3.沉水植物对沉积物中微生物群落的影响：研究了沉水植物添加对沉积物中微生物群落结构和功能的影响。使用高通量测序技术分析了沉积物样本中的微生物多样性，并预测了沉积物微生物群落的功能。4.沉水植物对沉积物中营养循环的影响：研究了沉水植物对沉积物中不同形态磷（如松散吸附磷、氧化还原敏感磷等）的影响。5.沉水植物对温室气体排放的潜在机制：探讨了沉水植物如何通过影响沉积物-水界面的微生物活动和营养循环来影响甲烷的产生和排放。

实验结果表明，苦草的径向氧损失（ROL）通过影响产甲烷细菌的mcrA基因，对沉水植物的甲烷（CH₄）排放起着至关重要的作用。然而，与先前的研究报道相反，他们认为甲烷通量和产甲烷菌群落的主要驱动因素是根系附近氧和氮浓度的变化，我们的结构方程模型表明，沉水植物主要通过调节水中的营养水平，特别是溶解有机碳和氮，以及它们对甲烷排放的直接影响，来影响甲烷排放通量（Lu等人，2000年）。此外，我们的结果表明，在不同营养条件下，沉水植物对CH₄排放的影响路径不同（图8c、d和图9）。我们的研究结果对沉水植物修复项目有两个启示：（1）在开始沉水植物修复之前，重要的是评估目标区域的水质。水中过量的营养物质可能导致沉水植物的分解（LoSchiavo等人，2013年），这可能导致湖泊甲烷排放量的增加；（2）沉水植物修复可能难以解决水质恢复和CH₄排放之间的紧张关系。因此，迫切需要改进和加强有效的方法和模型，为考虑CH₄排放的沉水植物群落的配置和管理开发更加科学和高效的技术方法。

在这篇文章中，平面光极分析仪（Planar Optode, PO）技术被用来量化沉水植物（Vallisneria natans）根际周围的溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）分布。智感环境研发的封闭式平面光极（PO2100）和便携式平面光极（PO1100）提供了一种高分辨率的二维成像方法，能够直观地展示沉积物-水界面（Sediment-Water Interface, SWI）中氧的分布情况。