植物通过脱落的根系细胞、组织、粘液和各种渗出的有机化合物将40-60%的光合固定碳(C)直接输送到根部和相关微生物中。大气中二氧化碳浓度的升高预计会增加根分泌物的数量，并改变根分泌物释放到土壤中的成分。研究人员似乎还不太清楚改变输入会在多大程度上导致原生(或“旧的”)有机碳的净损失。因此需要存在一种更好地理解土壤中碳损失的潜在机制，这对于预测大型土壤碳储量如何应对全球变化做出反应至关重要。本论文的研人员通过测试了根际碳矿化的加速(即启动效应)是否是由渗出物从保护性的矿物-有机结合中释放碳的能力所促进的。并提出了另一种方法可导致等量或更大的碳损失的机制。


Unisense微电极系统的应用


克拉克型氧气微传感器(OX-100,Unisense)测量根际附近的O2浓度分布。氧气微电极的尖端直径为100um，相应时间小于1s。氧气微电极在测量前后分别在0.1M的NaOH中加入抗坏血酸钠(0%O2饱和度)和空气鼓泡水(100%O2饱和度)进行线性校准。氧气微传感器安装在微操作器控制台上(MM33-2)上，并连接到主机上，氧气微电极插入离根际不同距离位置处（0.5、1、5和15mm）的氧浓度值。


实验结果


研究表明土壤中增加根系分泌物溶液的投入可能会导致土壤中碳的净损失，而这种刺激的微生物碳矿化作用(“启动”)通常有一种合理化假设理论，即渗出物提供了一个现成的原生土壤碳分解的生物可利用能量供应(共代谢)。研究发现了一种常见的根分泌物草酸会促进使有机化合物从与矿物的保护性联系中释放出来而造成的碳损失。通过加强微生物对以前的矿物保护化合物，这种间接机制会加速碳损失，不仅仅是简单地增加提供更有利的基材。


图文解说

图1、图中表示了根际土壤碳(“启动物”)的微生物矿化加速机制。图a表示了减少渗出物的化合物(例如单糖)通过促进微生物的生长和活动共代谢，从而增加了碳矿化分解体群落的整体生理潜力。微生物对氮的需求增加或群落结构的连续变化，也可能有助于矿化率的提高。图b表示的是另一种机制，与矿物相关联的大量的土壤碳无法与微生物连接。根分泌物可以作为配体(例如有机酸)，通过与保护性矿物相的络合和溶解反应，有效地释放碳，从而促进其对微生物的接近性，并通过微生物矿化加速其从系统中的损失。而微生物耗氧量可通过降低氧化还原电位、Eh、促进SRO矿物还原性溶解。

图2、根系分泌物对人工根际土壤的影响。图a表示的是草酸添加引起的根际效应照片与未添加的对照进行比较。白色箭头表示提供根系分泌物溶液所处的人工根的位置。图b表示的是对于不同的根系分泌物溶液处理后，O2浓度作为离根际距离的函数图。图中星号的位置表示平均O2浓度明显低于对照组。插图显示了每次根系分泌物溶液处理根际时对应的特异性呼吸速率。

图3、根系分泌物的性质及其预测对微生物的碳利用效率的测试(CUE)和生化需氧量的影响

图4、根系分泌物对土壤总碳和保护性矿物相的影响。图a表示的是总土壤碳C的相对变化率。图b表示的是铁和铝在金属有机配合物(MOCs)和短程有序(SRO)相中的结合表现为离根距离的函数图。处理效果计算为每一对应的距离和对照样品浓度之间的差异百分比。

图5、根系分泌物溶液对孔隙水中金属-有机络合物的影响。图a表示的是碳在孔隙水中的移动与溶解的铁浓度有关。图b表示了从对照组和草酸处理中收集的钙和铁与溶解有机碳有关联。所形成的图是在各自的吸收边缘能量之上和之下收集的两幅图像扫描的差异图。图c表示的是孔隙水中碳的K-edge NEXAFS谱。其中感兴趣的离散区域的光谱用虚线表示，蓝色线和阴影区域分别表示平均值和标准差。


总结


本论文主要讨论了根系分泌物对土壤中的碳的保护作用，研究过程中使用了unisense氧气微电极对根际周围加入不同的渗入液（草酸、葡萄糖等）后对应的氧浓度剖面分布进行了测试，从而确定了根系分泌物对根际微区微生物呼吸速率的影响，获得的氧浓度剖面表明了草酸的加入显著降低了周围土壤微生物对O2的利用的有效性，其影响的最高深度可达5mm，而葡萄糖和乙酸的添加量则局限在1.5 mm处。草酸处理中的土壤内的微生物呼吸作用超过使用葡萄糖的效果。这也进一步证明了根际碳矿化的加速(即启动效应)是由渗出物从保护性的矿物-有机结合中释放碳的能力所促进。并发现了一种由根、根相关的真菌和细菌产生的有机酸（草酸），具有较强的金属络合能力，对微生物的生物能利用有限。根际上述的相关实验结构，研究人员发现一种常见的根分泌物草酸会促进使有机化合物从与矿物的保护性联系中释放出来而造成的碳损失。而通过加强微生物与以前的矿物保护化合物，这种间接机制会加速碳损失的过程，该研究结果也为“启动”现象背后的生物-非生物耦合机制提供了一些见解，并挑战了关于矿物质相关的碳是受微生物保护的假设机制。从以上研究内容来看，unisense微电极剖面系统在根际相关的机制研究方面具有很好的应用价值，为相关研究人员探索植物根际的相关领域研究提供了一种重要的技术支持。