首次揭秘水下植物根际的甲烷“食客”微电极如何探测根际环境？

在我们地球的水下世界里，沉水植物（比如常见的菹草）就像水中的森林，它们的根部不仅固定着湖床，还悄悄营造着一个极其活跃的微环境——根际。这个围绕着植物根部、仅几毫米厚的区域，是植物与微生物相互作用的“热点”。植物会释放氧气和营养物质，吸引大量的微生物邻居。其中，一些微生物专门负责处理水体和沉积物中的氮元素（比如化肥、粪便分解产生的氮），这对于防止湖泊富营养化（水体因养分过多而发绿、缺氧）至关重要。

在众多奇特的微生物中，有一类被称为“NC10门”的细菌，它们的明星代表是“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”（简称M. oxyfera）。这类细菌拥有一种非凡的本领：在完全没有氧气的环境下，利用亚硝酸盐（一种含氮污染物）来“吃掉”甲烷（一种温室气体）。这个过程叫做亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（N-DAMO）。它不仅是微生物界一项惊人的生存策略，更在碳和氮的全球循环中扮演着关键角色，就像自然界隐藏的清洁工，同时处理着温室气体和污染物。之前的研究发现，M. oxyfera的“近亲”（M. oxyfera-like bacteria）广泛存在于海洋、河流、湿地等环境中，但它们在沉水植物根际这个小天地里的存在、分布和多样性，却一直是个未解的谜团。了解它们在这里的生存状况，对于理解湖泊的“自净”能力，乃至探索利用自然过程治理水体富营养化，都具有重要意义。

研究亮点：首次揭秘水下植物根际的甲烷“食客”

华中农业大学的科学家们进行了一项精细的研究，首次在沉水植物（菹草）的根际微环境中确认了M. oxyfera-like细菌的存在，并揭示了它们的分布规律和多样性特征。主要亮点包括：

普遍存在，分区驻扎： 研究发现，这些奇特的细菌不仅存在于远离根系的“非根际”沉积物中，更广泛分布在植物根系表面（根区）和紧邻根系的“近根际”区域（1-5毫米范围内）。它们在整个根际微环境中无处不在。

种类有限，分布不均： 通过基因分析，研究人员在所有样品中总共识别出16种略有不同的M. oxyfera-like细菌类型（称为OTU）。有趣的是，它们在根际不同区域的“居民”数量有所不同：紧贴根系的近根际最内层（1毫米处）最多样（6种），而根系本身和最远的近根际（5毫米处）相对较少（各4种）。整体来看，这个区域的细菌多样性（Shannon指数）和丰富度（Chao1指数）处于中等水平。

“Group b”家族主导： 最令人惊讶的发现是，绝大多数（11/16）检测到的细菌类型都属于同一个大的进化分支——“Group b”。这与之前在很多其他环境（如海洋河口）中观察到的“Group a”和“Group b”共存的情况明显不同。在菹草的根际，“Group b”是绝对的主角。此外，还发现了一种可能代表全新NC10细菌分支的类型（OTU12）。

创新工具：微型根箱： 为了精确模拟和研究沉水植物根际这个微小的世界，研究人员采用了精巧的“根箱”装置（如下图）。这个装置被精细地分隔成不同区域（根系区、多个近根际亚层、非根际区），并用超细尼龙网隔开，防止根系直接长入相邻土层，从而能精确采集不同位置的沉积物样本进行分析。

揭秘微观世界：Unisense电极如何探测根际环境？

要理解这些细菌为何偏爱根际环境，需要知道根际的“居住条件”。科学家们使用了一种名为Unisense微电极系统的高科技工具来进行原位（即在原本的位置）测量。这套系统的核心是极其纤细的电极探针：

精细测量： 研究人员将Unisense微电极的探针小心地插入到根箱中不同分区的沉积物里（特别是近根际的各个亚层）。

关键指标： 探针能够精准地测量两个关键的环境参数：

溶解氧 (DO)： 氧气是判断环境“厌氧”程度的关键。探针能测出沉积物不同深度溶解氧的含量。

pH值： 酸碱度也是影响微生物活动的重要因素。

绘制氧分布图： 通过测量不同深度的溶解氧，研究人员可以确定氧气渗透的深度（Dop）。他们定义当溶解氧浓度大于6.25微摩尔/升时才算有氧气。通过这种方式，他们描绘出在植物根部周围氧气是如何随着距离增加而逐渐减少的图谱，揭示了根际微环境的氧气梯度变化规律（从最内层约14.4毫米的氧渗透深度逐渐减少到约10.6毫米）。

意义： 这些原位测量至关重要。它直接证明了沉水植物根际确实存在厌氧区域（氧气匮乏），而这正是依赖N-DAMO过程的M. oxyfera-like细菌生存的理想家园。植物根系的活动（如释放氧气或消耗氧气）直接塑造了这种微环境。

总结：水下根系的秘密伙伴与未来的希望

这项研究成功地揭开了沉水植物根际微环境中一个隐藏的生态秘密：能够利用亚硝酸盐“吃”掉甲烷的NC10细菌（M. oxyfera-like bacteria）确实存在于此，并且是这里的“常住居民”。它们在根系周围形成了特有的群落：

以“b族”为核心： 根际的NC10细菌多样性不算特别高，但明显受到位置影响（靠近根系最内层最多样）。最突出的特点是“Group b”类型的细菌占据了绝对优势地位，这与许多其他水生环境不同，显示出根际微环境的独特性。一个可能代表全新分支的类型也被发现。

根际是“热区”： 近根际区域（特别是最内层）拥有最高的细菌多样性，表明这个由植物根系活动塑造的微小区域（提供厌氧条件、可能的甲烷和亚硝酸盐来源）对这些细菌更具吸引力。

生态意义深远： 这些细菌在根际的存在，意味着在沉水植物的水下“花园”里，存在着一个同时消耗温室气体甲烷和污染物亚硝酸盐的天然过程（N-DAMO）。虽然目前确认拥有完整N-DAMO功能的主要是“Group a”细菌，但根际“Group b”的绝对优势提示我们，这个分支的细菌可能在根际氮循环中扮演着尚未被充分认识的关键角色。

这项研究不仅增进了我们对水生微生物世界复杂性的理解，更重要的是，它指出了沉水植物及其根际微生物群落，特别是这些奇特的NC10细菌，在调控湖泊氮循环、减少温室气体排放以及缓解水体富营养化方面可能具有的巨大潜力。未来深入研究“Group b”细菌在根际的生态功能，将有望帮助我们解锁利用自然力量更有效净化水体的新途径，让我们的湖泊和河流更加清澈健康。

丹麦Unisense微电极可穿刺水体、生物膜、颗粒污泥、植物根茎叶、土壤、液体-固体扩散边界层，研究微区、微生态的研究系统。微电极尖端仅有几微米，能刺入样品中、测量微环境、不破坏被测对象的结构和生理活性、在极短的时间内达到平衡、对流动不敏感等特点。可穿刺到对象内部检测不同深度(ppb级)的O2、H2、H2S、NO、N2O、Redox、pH、温度等指标变化。