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3.2微界面O2隨空間變化的可能機理
穩定期，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(shí)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(zhù)物具有明顯差異(圖1a)。所以可以根據葉片在植株上著(zhù)生的位置來(lái)對應葉片的發(fā)育程度。幼葉、成熟葉和衰老葉光合作用能力具有顯著(zhù)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(zhù)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(zhù)物也顯著(zhù)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(zhù)物厚度的增加(圖2)，離附著(zhù)物表面越近葉微界面O2濃度越高，進(jìn)入附著(zhù)層后O2濃度增加幅度顯著(zhù)下降。位于中部的莖是成熟葉著(zhù)生的部位，附著(zhù)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(zhù)物表面達到最高，與幼葉表面的相當，進(jìn)入附著(zhù)層后未再繼續增加(圖a)。
一般來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)植物的生長(cháng)發(fā)育，附著(zhù)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(guò)受傷的部位侵入葉表皮細胞并迅速擴展，主動(dòng)地降解周?chē)募毎?。侵入的病原體分泌有機酸，破壞了葉片細胞壁的微纖維結構，被侵入細胞和相鄰細胞壁聚合物的晶格結構脆弱松散。在菹草衰老葉片中，可能是附著(zhù)物尤其是細菌在侵入前分泌的有機酸逐步進(jìn)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(zhù)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(zhù)物大量而持續的附著(zhù)可能加速了沉水植物衰亡和衰退。而富營(yíng)養化水體中營(yíng)養鹽含量和懸浮顆粒過(guò)高可顯著(zhù)增加附著(zhù)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(yíng)養化水體中養分的遷移轉化提供了重要信息。
圖6菹草不同生長(cháng)階段和不同部位快速光響應曲線(xiàn)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(jià)
固體表面(沉積物、生物膜)與其周?chē)g溶解性有機分子、無(wú)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(guò)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(guò)程。具明顯化學(xué)梯度的臨近活性表面的這一界面層區域通常稱(chēng)為擴散界面層(Diffusive boundary layer，DBL)。相對于周?chē)w，基質(zhì)內任何物質(zhì)的凈生產(chǎn)或消耗都可在擴散界面層和基質(zhì)內形成濃度梯度。通常來(lái)說(shuō)，擴散界面層的厚度僅有幾十μm至幾個(gè)mm，因此能測定這一薄層內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(dòng)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和理論計算，存在較大的誤差。后來(lái)，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(mǎn)足測定微界面內理化變量的要求，但多數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(lái)的微電極可在較小的時(shí)空尺度上測定微界面內理化變量的空間分布且對樣品無(wú)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外的O2分布進(jìn)行了研究，揭示了高度動(dòng)態(tài)的微環(huán)境。但由于丹麥Clark型電極在測定過(guò)程中可能發(fā)生漂移和耗氧；極化時(shí)間較長(cháng)；要求流速穩定；長(cháng)期儲存可能使其穩定性降低并引起損壞；制作復雜(手工拉制)、價(jià)格昂貴和脆弱性等缺點(diǎn)，限制了其應用普及。而近些年德國PreSens開(kāi)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(shí)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(diǎn)：1)具有較高的時(shí)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)可在比傳統方法更大的溫度范圍內測定；3)較短的預熱時(shí)間足可得到可靠的數據；4)信號穩定，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(wú)干擾，可原位測定；6)機械穩定性好，可長(cháng)期保存，價(jià)格相對低廉。光纖氧電極、溫度電極和pH微電極已成功應用于沉積物、動(dòng)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(2mm)O2濃度的時(shí)空變化，證明了富營(yíng)養化水體中沉水植物莖葉微界面是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的微環(huán)境。結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、結論
(1)菹草葉微界面O2分布具有明顯的生長(cháng)階段變化和晝夜變化。不同生長(cháng)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(zhù)物的影響。葉表面O2濃度顯著(zhù)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(zhù)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(shí)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(shí)空變化（一）
