DGT与PO技术揭示籽粒苋根际微环境中重金属活化的动态机制

土壤重金属的活化与根际土壤的pH值、氧气含量（O₂）和酶活性密切相关。本研究利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、平面光学传感器（PO）、土壤原位酶谱分析以及薄层扩散梯度（DGT）方法，研究了籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus L.）在受污染土壤（含有镉Cd、铅Pb和锌Zn）和未受污染土壤中的重金属积累，以及根际和非根际土壤中溶解氧（DO）、pH值、土壤酶活性和痕量重金属的动态变化。研究结果表明，在Cd、Pb和Zn的复合胁迫下，籽粒苋的生长受到显著抑制，尤其是根和枝的生物量受到的影响最为明显。籽粒苋根部的径向氧损失（ROL）和碱化现象主要受根系生长和环境条件的影响。酶活性模式表明，酸性磷酸酶（ACP）、碱性磷酸酶（ALP）和β-葡萄糖苷酶（BG）的活性主要与根系相关，而在非根际土壤中这些酶的活性相对较低。在重金属胁迫下，土壤热点区域的ACP、ALP和BG活性增加。DO、pH值和土壤酶活性与Cd、Pb和Zn的存在显著相关，影响根际中痕量金属的活化机制。这些发现为理解根系引起的O₂、pH值和土壤酶活性变化对土壤中痕量重金属迁移能力的影响奠定了基础。

本研究通过非破坏性原位检测技术，如根际原位成像实验，研究了籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus）系统中土壤中金属的迁移和转运的时空动态。研究结果直接揭示了根际O₂、pH值、土壤酶活性和DGT检测到的痕量金属的空间分布模式。植物体内过量积累的镉（Cd）、铅（Pb）和锌（Zn）会导致多种毒性症状，包括生长受抑制和生物量减少。通过二维成像技术，我们观察了其根际效率与Cd、Pb和Zn吸收之间的空间关系。随着时间的推移，O₂浓度先升高后降低，根际pH值变得更碱性，土壤酶活性增加。在各个区域中，根际土壤的O₂、pH值和土壤酶活性均高于非根际土壤，且这些因素的变化主要集中在根系。通过结合平面光极（PO）、薄膜扩散梯度（DGT）和土壤酶谱分析技术，我们揭示了土壤中污染物的迁移和转化过程，进一步增进了我们对土壤和沉积物中生物地球化学过程的理解。然而，本研究提出的方法存在一定局限性。例如，由于平面光极（PO）主要依赖光学测量，根际O₂和pH值的测量精度可能会受到环境因素的影响。通过优化土壤参数和分析条件，并结合解吸电喷雾电离质谱（DESI-MS）、DGT、PO和酶谱分析技术，将进一步研究根-土界面根系分泌物的原位分布与重金属土壤环境参数（如溶解氧、pH值和酶活性）之间的一般规律和具体差异。

在桂林理工大学蒋萍萍和游少鸿团队的研究中，智感环境的DGT和PO技术在籽粒苋根际微环境中激活痕量重金属机制的研究中发挥了重要作用。DGT技术能够评估土壤中重金属的生物可利用性，通过测量特定时间内通过扩散膜的离子量来计算土壤中重金属的浓度，从而准确评估其对植物的潜在风险。同时，DGT技术还能原位监测重金属在土壤固液界面上的动态平衡过程，捕捉其在土壤中的迁移路径和转化规律，为深入理解籽粒苋根际微环境中重金属的激活机制提供关键数据支持。此外，DGT技术还可用于评估修复效果，为选择最佳的修复方案提供依据，并监测修复过程中重金属的动态变化，为优化修复策略提供科学依据。