微电极分析系统案例分享：沉水植物生物膜中活性氧的时间变化

摘要：

活性氧(ROS)在水生环境的生物地球化学中起着至关重要的作用，但其在沉水植物生物膜中的发生和积累却鲜有报道。本文研究了大型植物叶片生物膜演代过程中生物膜微环境的光暗循环波动和代表性ROS (O₂^•−)的时间变化，并对生物膜中的光化学过程进行了量化。研究结果表明，O₂^•−的持续产出量在32.49±0.56 μmol/kg ~ 72.56±0.92 μmol/kg之间呈现出明显的节律性波动，并与溶解氧、氧化还原电位和pH同时波动，这都是由生物膜的好氧-缺氧交替条件驱动的。在整个生物膜演替过程中，O₂^•−和ROS的强度先升高后降低。不同水体生物膜中O₂^•−浓度的变化顺序为乡村河水>景观湖水>养殖池塘湖水，其中叶片光合作用和微生物群落发挥了关键作用。放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)对ROS的贡献显著，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。这些发现将有助于管理部门制定相关水生环境生态恢复策略。

本图揭示了生物膜中ROS的产生以及叶片微边界层环境因子(DO、Eh和pH)在三个光-暗循环中的变化，(a) 超氧自由基(O₂^•−)；(b) 溶解氧(DO)；(c) 氧化还原电位(Eh)；(d) pH。O₂的产生表现出明显的光-暗循环波动，其中，光照9 h后达到峰值72.56 ±0.92 umol/kg FW，黑暗12 h后下降至32.49 ± 0.56 mol/kg FW。与O₂的振荡类似，叶片生物膜微环境也存在明显的周期性波动。从黑暗到明亮的条件下，DO从80增加到250 pmol/L，而Eh从大约160增加到350 mV。值得注意的是，O₂^•−生成速缓慢下降后迅速下降，这与DO和Eh从光照到黑暗的快速下降不同。pH值在8.3 ~ 9.5范围内波动，光照后呈下降趋势，天黑后呈上升趋势。

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