土壤碎屑層活性氧的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其在土壤有機(jī)碳礦化過程中的作用

近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院賈漢忠教授研究團(tuán)隊(duì)在《Soil Biology and Biochemistry》（中科院一區(qū)期刊，IF =10.285）發(fā)表了題為“Spatiotemporal dynamics of reactive oxygen species in the detritusphere and their critical roles in organic carbon mineralisation”的研究論文。

活性氧（ROS）被認(rèn)為是生物地球化學(xué)過程的重要驅(qū)動(dòng)因素。然而，ROS的動(dòng)態(tài)和分布及其對(duì)碎屑層碳排放的影響仍然難以捉摸。在本文中，作者使用ROS捕獲瓊脂凝膠觀察了碎屑層中ROS的原位產(chǎn)生（即超氧陰離子自由基，O2•−；過氧化氫，H2O2；羥基自由基，•OH），其含量隨著殘留物的衰減而逐漸增加然后減少。在空間上，O2•−含量隨著離殘?jiān)�距離的增加而逐漸降低，而H2O2含量則增加。有趣的是，在孵育3天和24天后，隨著與殘留物的距離增加，•OH的含量分別從3.2μmol kg-1增加到4.3μmol kg-1，從6.9μmol kg-2減少到3.9μmol kg-1。Spearman相關(guān)分析表明，O2•−的產(chǎn)生與酚氧化酶對(duì)水溶性酚的氧化密切相關(guān)。相比之下，H2O2的產(chǎn)生與微生物的豐度相關(guān)，這表明微生物是碎屑層H2O2產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)因素。孵化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在殘?jiān)�分解的�?天至第24天，•OH產(chǎn)生的主要驅(qū)動(dòng)因素從Fe（II）轉(zhuǎn)移到水可提取有機(jī)碳（WEOC）。此外，高壓滅菌降低了•OH含量，無論是否存在Fe（II）或WEOC，這突顯了微生物在•OH生成中的重要作用。形成的ROS顯著影響了有機(jī)碳（OC，P<0.05）的礦化，且其影響因ROS類型而異。具體而言，ROS淬滅實(shí)驗(yàn)表明，•OH和O2•−分別刺激OC礦化15%和4%，而H2O2使OC礦化減少18%。所獲得的信息突出表明，碎屑層是ROS產(chǎn)生的普遍但以前被低估的熱點(diǎn)，這對(duì)土壤OC礦化和啟動(dòng)效應(yīng)具有重要意義。
 

用于可視化ROS產(chǎn)生的ROS捕獲瓊脂凝膠的實(shí)驗(yàn)裝置和應(yīng)用示意圖（培養(yǎng)3天內(nèi)ROS積累的印記）
 

碎屑圈ROS產(chǎn)生的潛在途徑示意圖�？s寫：•OH，羥基自由基，H2O2，過氧化氫，O2•−，超氧陰離子自由基

為了在原位觀察ROS的產(chǎn)生，將1克殘留物（干重）和70克土壤（干重）填充到一個(gè)自建的矩形樹脂箱（尺寸：130×7×60毫米）中，以創(chuàng)建一個(gè)碎屑層微環(huán)境。殘留物被放置在盒子內(nèi)部的頂部，將其分層放置在土壤上。將組裝好的盒子垂直放置，放入28℃的黑暗生化培養(yǎng)箱中，通過添加去離子水（每日稱重）將土壤濕度保持在土壤重量的約40%。孵育3天后，使用含有2′，7′-二氯二氫熒光素二乙酸酯（DCFH-DA）的瓊脂凝膠進(jìn)行ROS可視化，該凝膠與ROS反應(yīng)產(chǎn)生熒光化合物2′，7'-去氯熒光素（DCF），激發(fā)和發(fā)射波長分別為488 nm和525 nm。為了用DCFH-DA制備瓊脂凝膠，將3%瓊脂凝膠、10 mM磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）緩沖液（pH 7.2）和10μM DCFH-DA.的混合物倒入平板中。在黑暗中固化4小時(shí)后，取出瓊脂凝膠。移除樹脂箱（尺寸：130 mm×60 mm）的面板，在28℃的黑暗中，將制備好的瓊脂凝膠小心地覆蓋殘留物和土壤的暴露表面1小時(shí)。最后，作者使用廣州博鷺騰生物科技有限公司生產(chǎn)的PlantView 植物活體成像系統(tǒng)快速掃描獲得的瓊脂凝膠，得到ROS的熒光分布信號(hào)。
 

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109700