微电极技术在沉水植物生物膜中活性氧种类的时间变化研究中的应用

本期分享一篇复旦大学张继彪团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的一篇学术论文：Temporal variations in reactive oxygen species in biofilms of submerged macrophytes: The key role of microbial metabolism mediated by oxygen fluctuations,Journal of Hazardous Materials。这篇文章需要研究了沉水植物生物膜中活性氧种（ROS）的产生及其在水生环境中的生物地球化学作用。

活性氧种（ROS）在水生环境的生物地球化学中发挥着关键作用，然而它们在沉水植物生物膜中的出现和积累却鲜有记录。在此，我们研究了生物膜微环境的光暗循环波动以及生物膜演替过程中代表性ROS（O₂^•−）的时间变化，并随后量化了生物膜中的光化学过程。持续产生的O₂^•−呈现出明显的节奏性波动，从32.49 ± 0.56 μmol/kg到72.56 ± 0.92 μmol/kg FW，与溶解氧、氧化还原电位和pH同时波动，这一切都是由生物膜交替的氧化-厌氧条件驱动的。O₂^•−和ROS的强度在生物膜演替过程中首先增加然后减少。不同水体中生物膜的O₂^•−浓度顺序为乡村河水 > 景观湖水 > 水产养殖池塘水，叶片光合作用和微生物群落发挥了关键作用。ROS的产生与放线菌门、变形菌门和拟杆菌门显著相关，贡献分别为44.6%、32.8%和15.2%。偏最小二乘路径建模结构方程分析表明，叶片生物膜中ROS的产生主要与微环境和微生物代谢有关。这些发现将促进水生环境中生态恢复策略的发展。

本研究提供了关于沉水植物生物膜中活性氧物质（ROS）形成实验证据。具体来说，生物膜中的ROS是可以再生和持续的，这意味着它们对水生生物地球化学过程有持续的影响。尽管光化学过程不是生物膜中ROS产生的主要途径，但太阳辐射仍然是一个重要因素，并诱导了沉水植物微界面的光暗波动，从而影响ROS的产生。此外，我们的工作表明，生物膜中的ROS随着生物膜演替而变化，并主要受到需氧细菌微生物群落代谢的影响。在沉水植物生物膜中发现ROS的产生不仅扩大了水生环境中现有ROS区域的范围，而且还表明ROS在具有相似特征的动态界面中产生和积累，如潮间带表层土壤、水稻根际和黑麦草根际土壤。我们假设，叶生物膜中胞外ROS的形成不仅由于微生物氧化应激，而且与微生物细胞间通信和碳循环中的信号分子传递以及金属和污染物降解有关，这需要在遗传、功能和群落水平上进一步分析。

在这篇文章中，微电极技术被用于实时监测沉水植物叶片生物膜微环境的动态变化，包括溶解氧（DO）、氧化还原电位（Eh）和pH值。智感环境推出的单通道微电极分析系统（Micro1100）和多通道微电极分析系统（Micro2100）能够原位观测微小区间溶解氧（DO）、氧化还原电位（Eh）和pH值的变化。