Vallisneria spiralis Promotes P and Fe Retention via Radial Oxygen Loss in Contaminated Sediment

苦草通過污染沉積物中的徑向氧損失促進 P 和 Fe 的保留

來源：Water 2023, 15, 4222.

 

1. 摘要核心內容

 

核心發現：沉水植物 苦草（Vallisneria spiralis） 通過根系泌氧（Radial Oxygen Loss, ROL）顯著提升污染沉積物中磷（P）和鐵（Fe）的滯留能力。實驗證明：

種植苦草的沉積物（S+V）在光照下成為 DIP（溶解性無機磷）的匯（吸收7.3±1.7 μmol m?2 h?1），而裸露沉積物（S）始終是DIP源（釋放7.5±1.0 μmol m?2 h?1）（圖5）。

苦草根系ROL使沉積物氧化深度（OPD）增加46%（從3.0 mm增至4.4 mm），降低孔隙水中DIP、Fe2?、Mn2?濃度（圖6）。

根系表面形成 鐵錳斑塊（plaques），固定P、Fe、Mn的量分別達215 μmol gdw?1、617 μmol gdw?1、30.2 μmol gdw?1，遠超根系內部含量（圖7）。

 

 

 

 

2. 研究目的

 

驗證苦草通過ROL改善有機污染沉積物的氧化還原狀態，抑制DIP和金屬離子（Fe2?、Mn2?）釋放。

量化苦草直接（吸收）和間接（氧化沉淀）對P滯留的貢獻。

評估苦草移植作為 自然修復方案（Nature-Based Solution） 治理富營養化水體的可行性。

 

3. 研究思路

 

樣本采集：

沉積物取自意大利污染濕地（有機質含量17.5%），苦草采自上游清潔區。

微宇宙實驗：

對照組（S）：裸露沉積物；處理組（S+V）：沉積物+苦草移植（圖1）。

預培養3周后，進行光/暗交替培養（模擬自然光周期）。

多維度檢測：

溶氧通量：Winkler法測水-沉積物界面O?交換（圖3）。

孔隙水化學：電位法測pH/ORP，原子吸收光譜測Fe2?/Mn2?，分光光度法測DIP（圖6）。

根系分析：HCl溶解法分離根表斑塊與內部元素（圖7）。

氧剖面：Unisense微電極測沉積物O?梯度（圖2）。

 

 

 

 

4. 關鍵數據及其意義

數據來源與功能解析

數據類型 來源圖表 研究意義

氧滲透深度（OPD） 圖2A 苦草使沉積物氧化層增厚46%，證實ROL改善沉積物氧化狀態，抑制還原性物質釋放。

DIP通量          圖5     S+V組在光照下吸收DIP，直接證明苦草通過光合-ROL耦合降低P釋放風險。

孔隙水指標         圖6   S+V組孔隙水DIP降低50%、Fe2?降70%、Mn2?降89%，ROL促進金屬氧化沉淀。

根系斑塊元素富集 圖7  根表P/Fe/Mn富集量超內部2–9倍，揭示間接固持（氧化沉淀）主導P滯留。

氧消耗速率（DOU） 圖2B S與S+V組DOU無差異，表明ROL未刺激微生物耗氧，氧化產物可能抑制呼吸。

 

5. 核心結論

 

ROL的核心作用：苦草通過ROL氧化沉積物，使Fe2?/Mn2?形成氧化物斑塊，共沉淀DIP，減少其向上覆水釋放。

雙重P滯留機制：

直接吸收：貢獻約50% DIP去除（圖5）。

間接沉淀：根表斑塊固定P量超內部2倍，占主導地位（圖7）。

修復應用潛力：苦草移植可降低污染沉積物內源P負荷，為富營養化水體提供 低成本生態修復方案。

 

 

6. Unisense電極數據的深度解讀

測量方法與結果

 

技術原理：Unisense O?微電極（50 μm尖端）原位測量沉積物O?梯度（圖2A），基于Fick定律計算氧擴散消耗速率（DOU）。

關鍵結果：

氧剖面形態：苦草使O?滲透深度從3.0 mm增至4.4 mm（圖2A），證實ROL擴大沉積物氧化區。

DOU一致性：S與S+V組DOU無差異（圖2B），表明ROL未額外刺激微生物呼吸，氧化產物可能抑制代謝。

 

 

研究意義

 

機制驗證：

微電極直接量化ROL對沉積物氧分布的改善，推翻“植物增加沉積物耗氧”的假設。

揭示氧化層增厚與金屬沉淀/DIP滯留的因果關系（圖6）。

技術優勢：

高分辨率：50 μm尖端捕捉毫米尺度氧梯度，避免傳統分柱實驗的擾動。

原位動態：實時監測氧動態，區分光/暗ROL貢獻（圖3）。

應用指導：

證實苦草在 高有機質沉積物（17.5%） 中仍有效釋放ROL，支持其在污染濕地的修復適用性。

為類似植物（如蘆葦、菖蒲）的ROL研究提供標準化方案。

 

總結

 

本研究通過Unisense微電極等技術，證實苦草ROL可重塑污染沉積物氧化還原狀態，驅動Fe/Mn氧化沉淀與P共滯留。其核心價值在于：

 

機制創新：揭示根表斑塊對P的間接固定主導滯留過程（非生物吸收）。

技術示范：微電極數據為ROL的生態功能提供直接證據，推動其在修復工程中的應用。

實踐意義：苦草移植可作為富營養化水體 “自然修復”工具，尤其適用于有機污染沉積物治理。