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3.2微界面O2隨空間變化的可能機理
穩(wěn)定期，菹草已處于成熟狀態(tài)，在同一株菹草上自尖端至基部同時存在幼葉、成熟葉和衰老葉，葉片大小、顏色、形態(tài)和葉面附著物具有明顯差異(圖1a)。所以可以根據(jù)葉片在植株上著生的位置來對應(yīng)葉片的發(fā)育程度。幼葉、成熟葉和衰老葉光合作用能力具有顯著差異(圖6)。位于頂部的幼葉，由于光合作用能力相對較弱(圖6)，加之附著物稀疏，因此幼葉微界面O2濃度增加幅度較小(圖5)。位于中部的成熟葉光合作用能力強(圖6)，附著物也顯著增多(圖2)，葉微界面O2濃度梯度較陡，增加幅度最大(圖5)。而位于基部的衰老葉，由于生理活性的降低(圖6)和附著物厚度的增加(圖2)，離附著物表面越近葉微界面O2濃度越高，進入附著層后O2濃度增加幅度顯著下降。位于中部的莖是成熟葉著生的部位，附著物較密，但由于光合活性相對較低，因此微界面O2濃度在附著物表面達到最高，與幼葉表面的相當(dāng)，進入附著層后未再繼續(xù)增加(圖a)。
一般來說，隨著植物的生長發(fā)育，附著物的密度和生物多樣性逐漸增加。在衰亡期，病原體和細菌可通過受傷的部位侵入葉表皮細胞并迅速擴展，主動地降解周圍的細胞壁。侵入的病原體分泌有機酸，破壞了葉片細胞壁的微纖維結(jié)構(gòu)，被侵入細胞和相鄰細胞壁聚合物的晶格結(jié)構(gòu)脆弱松散。在菹草衰老葉片中，可能是附著物尤其是細菌在侵入前分泌的有機酸逐步進入葉肉和表皮，使細胞發(fā)生膨脹和解體。本研究中，去除附著物這一屏障后，微界面O2分布產(chǎn)生了明顯變化，莖葉表面O2濃度明顯降低，可能是O2擴散阻力和距離減小的緣故。因此，附著物大量而持續(xù)的附著可能加速了沉水植物衰亡和衰退。而富營養(yǎng)化水體中營養(yǎng)鹽含量和懸浮顆粒過高可顯著增加附著物。因此，菹草莖葉微界面O2濃度的分布可為研究水生植物生理生態(tài)和富營養(yǎng)化水體中養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化提供了重要信息。
圖6菹草不同生長階段和不同部位快速光響應(yīng)曲線特征
3.3光纖微電極測定沉水植物莖葉微界面的可行性評價
固體表面(沉積物、生物膜)與其周圍水之間溶解性有機分子、無機離子和氣體的交換是海洋和湖泊中重要的生物和地球化學(xué)過程。界面層可限制上覆水與固體間的物質(zhì)運輸，因此影響生物過程。具明顯化學(xué)梯度的臨近活性表面的這一界面層區(qū)域通常稱為擴散界面層(Diffusive boundary layer，DBL)。相對于周圍水體，基質(zhì)內(nèi)任何物質(zhì)的凈生產(chǎn)或消耗都可在擴散界面層和基質(zhì)內(nèi)形成濃度梯度。通常來說，擴散界面層的厚度僅有幾十μm至幾個mm，因此能測定這一薄層內(nèi)理化變量的梯度變化而又不對這些梯度生產(chǎn)明顯的擾動的方法非常重要。早期對沉積物—水界面的氧分布或厭氧微環(huán)境的研究多是基于間接證據(jù)和理論計算，存在較大的誤差。后來，非侵入光學(xué)分析、激光多普勒分析水流、核磁共振成像和正電子成像術(shù)等技術(shù)均能滿足測定微界面內(nèi)理化變量的要求，但多數(shù)具高空間分辨率的方法是基于微電極的。
近幾十年發(fā)展起來的微電極可在較小的時空尺度上測定微界面內(nèi)理化變量的空間分布且對樣品無明顯干擾。目前文獻中對光纖針式氧電極和電化學(xué)氧電極的描述相對較多。早期利用Clark型氧微電極對菹草葉微界面和海洋植物褐藻組織內(nèi)外的O2分布進行了研究，揭示了高度動態(tài)的微環(huán)境。但由于丹麥Clark型電極在測定過程中可能發(fā)生漂移和耗氧；極化時間較長；要求流速穩(wěn)定；長期儲存可能使其穩(wěn)定性降低并引起損壞；制作復(fù)雜(手工拉制)、價格昂貴和脆弱性等缺點，限制了其應(yīng)用普及。而近些年德國PreSens開發(fā)的光纖氧微電極是一種研究微界面的理想工具，可在較小時空尺度上研究微環(huán)境中氧的變化。與Clark型電極相比，具有如下優(yōu)點：1)具有較高的時間(t90<3s)和空間(<50μm)分辨率，可測定氣相和液相中的氧，電極本身不耗氧；2)可在比傳統(tǒng)方法更大的溫度范圍內(nèi)測定；3)較短的預(yù)熱時間足可得到可靠的數(shù)據(jù)；4)信號穩(wěn)定，不受H2S、CO2和其他相關(guān)化學(xué)因子的影響；5)對待測樣品無干擾，可原位測定；6)機械穩(wěn)定性好，可長期保存，價格相對低廉。光纖氧電極、溫度電極和pH微電極已成功應(yīng)用于沉積物、動物和植物組織等微環(huán)境研究。光纖氧電極在水環(huán)境中多用于沉積物、微生物墊和根際中O2梯度的測定。本研究將光纖氧微電極成功拓展到沉水植物莖葉微界面研究上，揭示了菹草莖葉微界面內(nèi)(2mm)O2濃度的時空變化，證明了富營養(yǎng)化水體中沉水植物莖葉微界面是一個高度動態(tài)的微環(huán)境。結(jié)果表明光纖氧微電極是一種研究沉水植物莖葉微界面O2分布的理想工具。
4、結(jié)論
(1)菹草葉微界面O2分布具有明顯的生長階段變化和晝夜變化。不同生長階段微界面O2濃度梯度變化主要受植物光合作用能力和附著物的影響。葉表面O2濃度顯著的單峰晝夜變化主要受光照和溫度的影響。
(2)菹草不同部位莖葉微界面O2分布具有明顯的差異。這種差異主要受植物生理活性和附著物的綜合影響。
(3)光纖氧微電極是一種測定沉水植物莖葉微界面O2分布的理想工具，可在較高的精度上揭示微環(huán)境中O2濃度梯度的時空變化。
光纖氧微電極揭示菹草葉微界面O2分布、濃度梯度的時空變化（一）
