3.2微界面O2随空间变化的可能机理


稳定期，菹草已处于成熟状态，在同一株菹草上自尖端至基部同时存在幼叶、成熟叶和衰老叶，叶片大小、颜色、形态和叶面附着物具有明显差异(图1a)。所以可以根据叶片在植株上着生的位置来对应叶片的发育程度。幼叶、成熟叶和衰老叶光合作用能力具有显著差异(图6)。位于顶部的幼叶，由于光合作用能力相对较弱(图6)，加之附着物稀疏，因此幼叶微界面O2浓度增加幅度较小(图5)。位于中部的成熟叶光合作用能力强(图6)，附着物也显著增多(图2)，叶微界面O2浓度梯度较陡，增加幅度最大(图5)。而位于基部的衰老叶，由于生理活性的降低(图6)和附着物厚度的增加(图2)，离附着物表面越近叶微界面O2浓度越高，进入附着层后O2浓度增加幅度显著下降。位于中部的茎是成熟叶着生的部位，附着物较密，但由于光合活性相对较低，因此微界面O2浓度在附着物表面达到最高，与幼叶表面的相当，进入附着层后未再继续增加(图a)。


一般来说，随着植物的生长发育，附着物的密度和生物多样性逐渐增加。在衰亡期，病原体和细菌可通过受伤的部位侵入叶表皮细胞并迅速扩展，主动地降解周围的细胞壁。侵入的病原体分泌有机酸，破坏了叶片细胞壁的微纤维结构，被侵入细胞和相邻细胞壁聚合物的晶格结构脆弱松散。在菹草衰老叶片中，可能是附着物尤其是细菌在侵入前分泌的有机酸逐步进入叶肉和表皮，使细胞发生膨胀和解体。本研究中，去除附着物这一屏障后，微界面O2分布产生了明显变化，茎叶表面O2浓度明显降低，可能是O2扩散阻力和距离减小的缘故。因此，附着物大量而持续的附着可能加速了沉水植物衰亡和衰退。而富营养化水体中营养盐含量和悬浮颗粒过高可显著增加附着物。因此，菹草茎叶微界面O2浓度的分布可为研究水生植物生理生态和富营养化水体中养分的迁移转化提供了重要信息。

图6菹草不同生长阶段和不同部位快速光响应曲线特征


3.3光纤微电极测定沉水植物茎叶微界面的可行性评价


固体表面(沉积物、生物膜)与其周围水之间溶解性有机分子、无机离子和气体的交换是海洋和湖泊中重要的生物和地球化学过程。界面层可限制上覆水与固体间的物质运输，因此影响生物过程。具明显化学梯度的临近活性表面的这一界面层区域通常称为扩散界面层(Diffusive boundary layer，DBL)。相对于周围水体，基质内任何物质的净生产或消耗都可在扩散界面层和基质内形成浓度梯度。通常来说，扩散界面层的厚度仅有几十μm至几个mm，因此能测定这一薄层内理化变量的梯度变化而又不对这些梯度生产明显的扰动的方法非常重要。早期对沉积物—水界面的氧分布或厌氧微环境的研究多是基于间接证据和理论计算，存在较大的误差。后来，非侵入光学分析、激光多普勒分析水流、核磁共振成像和正电子成像术等技术均能满足测定微界面内理化变量的要求，但多数具高空间分辨率的方法是基于微电极的。


近几十年发展起来的微电极可在较小的时空尺度上测定微界面内理化变量的空间分布且对样品无明显干扰。目前文献中对光纤针式氧电极和电化学氧电极的描述相对较多。早期利用Clark型氧微电极对菹草叶微界面和海洋植物褐藻组织内外的O2分布进行了研究，揭示了高度动态的微环境。但由于丹麦Clark型电极在测定过程中可能发生漂移和耗氧；极化时间较长；要求流速稳定；长期储存可能使其稳定性降低并引起损坏；制作复杂(手工拉制)、价格昂贵和脆弱性等缺点，限制了其应用普及。而近些年德国PreSens开发的光纤氧微电极是一种研究微界面的理想工具，可在较小时空尺度上研究微环境中氧的变化。与Clark型电极相比，具有如下优点：1)具有较高的时间(t90<3s)和空间(<50μm)分辨率，可测定气相和液相中的氧，电极本身不耗氧；2)可在比传统方法更大的温度范围内测定；3)较短的预热时间足可得到可靠的数据；4)信号稳定，不受H2S、CO2和其他相关化学因子的影响；5)对待测样品无干扰，可原位测定；6)机械稳定性好，可长期保存，价格相对低廉。光纤氧电极、温度电极和pH微电极已成功应用于沉积物、动物和植物组织等微环境研究。光纤氧电极在水环境中多用于沉积物、微生物垫和根际中O2梯度的测定。本研究将光纤氧微电极成功拓展到沉水植物茎叶微界面研究上，揭示了菹草茎叶微界面内(2mm)O2浓度的时空变化，证明了富营养化水体中沉水植物茎叶微界面是一个高度动态的微环境。结果表明光纤氧微电极是一种研究沉水植物茎叶微界面O2分布的理想工具。


4、结论


(1)菹草叶微界面O2分布具有明显的生长阶段变化和昼夜变化。不同生长阶段微界面O2浓度梯度变化主要受植物光合作用能力和附着物的影响。叶表面O2浓度显著的单峰昼夜变化主要受光照和温度的影响。


(2)菹草不同部位茎叶微界面O2分布具有明显的差异。这种差异主要受植物生理活性和附着物的综合影响。


(3)光纤氧微电极是一种测定沉水植物茎叶微界面O2分布的理想工具，可在较高的精度上揭示微环境中O2浓度梯度的时空变化。


光纤氧微电极揭示菹草叶微界面O2分布、浓度梯度的时空变化（一）

光纤氧微电极揭示菹草叶微界面O2分布、浓度梯度的时空变化（二）

光纤氧微电极揭示菹草叶微界面O2分布、浓度梯度的时空变化（三）