铁作为地壳中丰度最高的氧化还原敏感元素，对湖泊沉积物的氧化还原作用具有重要的指示意义.水生植物根系泌氧在根际形成微域的氧化圈，根际是氧化、还原同时发生的生物活跃区.以轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)为研究对象，利用微电极和荧光定量PCR探讨根系泌氧作用对沉积物中典型铁氧化菌(嘉利翁氏菌)和典型铁还原菌(地杆菌)的影响.结果表明，轮叶黑藻生长迅速，通过根系泌氧作用影响沉积物中铁的价态和形态，是根际铁循环的重要参数，并对根际微区微生物有一定的影响.根系泌氧使根际嘉利翁氏菌和地杆菌数量增加，进一步影响根际微生物铁循环.实验结果可为微生物对根际铁循环的研究提供一定的理论基础。


微生物是湖泊沉积物铁循环的核心参与者，铁氧化菌和铁还原菌在营养元素循环及微量元素的迁移转化等方面的重要作用，使二者成为目前研究的热点.本研究选取黑藻为研究对象，研究其根系泌氧作用对沉积物中铁形态及其对根际沉积物中嘉利翁氏菌和地杆菌的影响，旨在探讨植物根系泌氧作用对沉积物中铁循环的影响。


本研究主要选取浙江省东钱湖(29°52′N,121°34′E)沉积物为研究对象.用彼得森采泥器采集湖中心0～10 cm表层新鲜沉积物，置于便携式冰箱快速带回实验室，鲜泥直接过80目筛(避免沉积物中大颗粒物损坏电极)，过筛后混匀，待其自然沉降1 d后备用，实验开始时沉积物总氮(TN)含量为2.590.14 mg/g，总磷(TP)含量为0.120.03 mg/g，有机质(OM)含量为13.41%1.66%，总铁(TFe)含量为13.460.44 mg/g，亚铁(Fe(Ⅱ))含量为6.740.17 mg/g，pH值为7.040.05。


实验用黑藻采自云南滇池草海，采集后立即带回实验室，用自来水冲洗数次并去除里面混杂的水草及其他藻类，然后于实验室内驯化培养，备用。


将50 ml注射器顶端截掉，用注射器自带的活塞塞住底部(图1)，加入7 cm左右厚的沉积物，静置一夜.取性状一致、长度均为5 cm的黑藻扦插于注射器内，用锡箔纸包裹注射器，保证不透光.对照组不扦插黑藻，其余同实验组，对照组和实验组各设置18个重复.放入整理箱(70 cm×50 cm×50 cm)中，小心注入自来水，使水深保持在40 cm左右.放入恒温室内培养，温度为25℃培养，12 h/12 h光照/遮光(1500 lx/0 lx).实验中每天用蒸馏水补足蒸发减少的水分，培养周期为60 d，每10 d取1次样，取样方法为对照组和实验组各随机取出3支注射器用于后续测定。

取样时，小心取出注射器，先用微电极测定植物周围2 mm处溶解氧的微观剖面，然后进行破坏性取样，并将粘附在植物根上的沉积物定义为根际沉积物[18]，对照组去除表层的沉积物(1 cm)后定义为非根际沉积物，小心收集后，20℃保存用于理化性质的测定和DNA的提取。


沉积物总铁(TFe)和亚铁(Fe(Ⅱ))用3 mol/L HCl提取16 h后，5000转/min离心5 min，上清液用2,2-联吡啶分光光度法测定[19].为研究沉积物中铁氧化物的结晶度以及生物可利用性，采用5步连续提取的方法[11]获得沉积物中不同形态的铁.具体做法为：先用1.0 mol/L MgCl2(pH=5)提取可交换态铁，再用0.1 mol/L焦磷酸钠提取有机结晶态铁，然后用0.2 mol/L草酸/草酸铵(pH=3)提取贫结晶态铁，再用DCB溶液(含0.03 mol/L Na3C6H5O7·2H2O,0.125 mol/L NaHCO3和0.06 mol/L Na2S2O4)提取强结晶态铁，最后用浓硝酸提取剩余铁.所有的提取液用2,2-联吡啶分光光度法测定其中的铁。


沉积物-水界面的微观剖面利用微电极进行测量(图1).实验用穿刺型氧电极(OXY25,ø=25μm,Unisense，丹麦)研究沉积物-水界面几毫米至几厘米内的变化.具体做法是：先将微电极连接在四通道主机(Unisense，丹麦)上进行极化和校正.在穿刺样品时将微电极安装在1个马达控制器(MC-232,Unisense，丹麦)上，用显微操纵器控制(MM 33,Unisense，丹麦)将电极和电脑相连.通过调节相应的参数(响应时间为3 s，步距均为500μm)来研究沉积物-水界面剖面微尺度上的变化.实验时在黑藻根系周围2 mm以内进行穿刺(图1)。


黑藻各项生长指标均随培养时间的增长而显著增加，其中，叶片是黑藻进行光合作用的主要场所，随着培养时间的增加，黑藻生长迅速，生物量不断增加.黑藻根系随着培养时间的延长而迅速生长，尤其表现在根系生物量的增加(表2).

表2不同时间黑藻生长状况*

*数据为平均值标准差，同列上标不同小写字母表示差异显著(P<0.05).


根际微区溶解氧浓度的垂直剖面变化


为了研究种植黑藻后对沉积物-水界面微观剖面的影响，利用微电极原位研究溶解氧(DO)浓度垂直剖面的变化，结果显示，黑藻组水体DO浓度为174μmol/L，而对照组仅为137μmol/L(图2a)，这说明黑藻的存在使水体DO浓度增加.当微电极进入泥水界面后，DO浓度迅速下降，至界面下3 mm左右处降为0.当微电极继续向下到7 mm左右，出现1个明显的峰值，峰值大小为40μmol/L，峰宽为8 mm，显著大于黑藻根茎(约1 mm)，这进一步说明黑藻根系泌氧的存在。


从有氧层厚度来看，对照组有氧层厚度为5.5 mm左右(图2b)，且随时间变化不明显.种植黑藻后有氧层厚度显著增加(P&lt;0.05)，均大于8 mm，且随培养时间呈增加的趋势，说明黑藻能使沉积物中DO浓度增加。

图2沉积物-水界面DO垂直剖面变化(培养40 d)(a)和有氧层厚度变化(b)


黑藻对沉积物-水界面溶解氧浓度的影响


沉积物-水界面的溶解氧浓度主要受植物根系泌氧和沉积物自身耗氧等因素的影响.本研究利用微电极技术，原位确定了根系泌氧的存在(图2a)。水生植物根系泌氧是植物在长期淹水缺氧环境中自然选择的结果，通过植物组织内部强大的通气组织来实现。黑藻通过叶片进行光合作用产生O2，通过茎、根等通气组织输送到植物根系，供根系呼吸、通气组织是具有巨大空间的海绵组织，它能够在植物组织内部为气体存储和交换提供一个方便的内部通道，使其传送的氧气被邻近组织细胞消耗或扩散到根尖和根际沉积物中[23]，并使沉积物-水界面有氧层厚度增加(图2b)。


结论


1)黑藻的根系泌氧能使沉积物-水界面的溶解氧浓度增加，表层有氧层厚度增加。


2)黑藻通过根系泌氧作用将根际环境中Fe(Ⅱ)氧化，并改变沉积物中铁的形态，是根际铁循环的重要参数。


3)黑藻根系泌氧对根际耗氧微区微生物有一定的影响：根系泌氧使根际嘉利翁氏菌和地杆菌数量增加，进一步影响根际微生物铁循环。