高效率曝气系统与绳状滤材于生物膜式反应器的应用.pptx

1.根际的概念、特点和影响范围根际的概念、特点和影响范围2.植物的根际环境植物的根际环境3.根际根际研究方法研究方法根际的概念根际的概念根根际际是是指指受受植植物物根根系系生生长长的的影影响响，在在物物理理、化化学学和和生生物物特特性性上上不不同同于于原原土土体体的的特特殊殊土土壤壤微微区区。是是植植物物、土土壤壤、微微生生物物及及其其环环境境条条件件相相互互作作用用的的场场所所，也也是是各各种种养养分分、水水分分、有有益益和和有有害害物物质质及及生生物物作作用用于于根根系系或或进进入入根根系系参参与与食食物物链链物物质质循循环环的的门门户户，是是一个特殊的一个特殊的生态系统生态系统。根际是植物、土壤和微生物及其环境相根际是植物、土壤和微生物及其环境相互作用的互作用的中心中心，是植物和土壤环境之间，是植物和土壤环境之间物质和能量交换物质和能量交换最剧烈的区域，是各种最剧烈的区域，是各种养分和有害物质养分和有害物质从无机环境进入生命系从无机环境进入生命系统统参与食物链循环的必经通道。参与食物链循环的必经通道。2004年年9月月，为为纪纪念念Hiltner 提提出出根根际际概概念念100周周年年以以及及Hiltner 对对根根际际研研究究的的巨巨大大贡贡献献，根根际际研研究究国国际际学学术术研研讨讨会在德国慕尼黑召开会在德国慕尼黑召开。总总结结了了经经过过一一个个世世纪纪的的发发展展，根根际际研研究究在在各各个个领领域域取取得得的的重重要要进进展展，如如根根际际生生态态调调控控、根根际际管管理理、根根际际对对话话、根根分分泌泌物物作作用用机机制制、根根系系分分子子生生物物学学、微微生生物物与与病病原原菌菌的相互作用的相互作用和和根际研究方法根际研究方法等。等。展展望望未未来来的的根根际际研研究究，一一方方面面致致力力于于理理论论研研究究，充充分分利利用用现现代代研研究究技技术术包包括括模模拟拟模模型型和和分分子子生生物物学学技技术术，解解释释根根际际过过程程及及其其相相互互作作用用的的实实质质；另另一一方方面面，在在应应用用层层面面上上，利利用用根根际际动动态态过过程程的的理理论论和和知知识识定定向向管管理理、操操纵纵和和调调控控根根际际相相互互作作用用的的过过程程，从从而而提提高高植植物物的的营营养养状状况况、改改善善农农产产品品品品质质、提提高高植植物物系系统统的的健健康康水水平平和和保保护护生生态态系统的生物多样性。系统的生物多样性。根际的范围根际的范围范畴范畴空间空间范畴范畴：相互作用涉及的范围广相互作用涉及的范围广在在根根/土土界界面面上上根根与与土土壤壤在在物物理理、化化学学和和生生物物方方面面相相互互作作用用，并并且且根根在在这这个个相相互互作作用用中中处处于于主主动动的的地地位位，根根分分泌泌物物从从物物理理、化化学学和和土土壤壤微微生生物物、植植物物营营养养、生生理理和和病病理理等等等等各各个个方方面面影影响响着着土土壤壤的的性性质质。如如化化感感作作用用。因因此此，在在根根际际这这一一微微小小区区域域内内存存在在着着各学科、各领域的相互的、交叉的各学科、各领域的相互的、交叉的作用。作用。空间空间通通常常是是指指距距离离 根根 表表 1-4 cm的的土土壤壤微微区区。但但因因植植物物种种类类和和土土壤壤的的性性质质不不同同，根根际际范范围变异很大。围变异很大。根际的变化是一个动态过程，它不仅存根际的变化是一个动态过程，它不仅存在于垂直根面指向土体方向的在于垂直根面指向土体方向的横向方向横向方向上，也存在于沿根轴的上，也存在于沿根轴的纵向方向纵向方向上，并上，并且根际动态过程在这两个方向上存在着且根际动态过程在这两个方向上存在着时空变异时空变异。根际研究的特点根际研究的特点 埋在地下，肉眼难以观察。埋在地下，肉眼难以观察。区域微小，取样困难区域微小，取样困难。成成分分复复杂杂，土土壤壤结结构构不不均均质质，取取样样难难以以保保持持原位。原位。时空变异性大，要求技术手段高。时空变异性大，要求技术手段高。根际研究技术分类根际研究技术分类按试验材料分：按试验材料分：1.模拟材料模拟材料 2.自然材料自然材料按测定地点分：按测定地点分：1.In situ 2.In vitro按分析手段分：按分析手段分：1.物理方法物理方法 2.化学方法化学方法 3.生物学方法生物学方法各种方法并没有严格的界定，相互融合各种方法并没有严格的界定，相互融合,相互补充相互补充植物根际的研究方法植物根际的研究方法一一.根际微环境的模拟培育根际微环境的模拟培育 1.根袋法根袋法 2.根垫法根垫法 3.集束根集束根-土块接触法土块接触法 4.根箱法根箱法 二二.根际原位测定根际原位测定 1.原位显色法测定原位显色法测定pH，Eh 2.根分泌物络合铝根分泌物络合铝三三.根际研究技术的发展前景根际研究技术的发展前景一一.根际微环境的模拟培育根际微环境的模拟培育目的目的:?1.根袋法根袋法d=3.4cm h=12cm D=12cm H=14cm幼苗生长到一定时期，幼苗生长到一定时期，取袋中土为根际土，取袋中土为根际土，离根袋离根袋25mm以外的以外的土为非根际土土为非根际土植物植物 土壤土壤尼龙网纱尼龙网纱盆钵盆钵2.根垫法根垫法2.1 Kuchenbuch and Jungk 法法陶制多孔板，陶制多孔板，使保持水分使保持水分尼龙网纱下的尼龙网纱下的整个土壤表面整个土壤表面为根土界面，为根土界面，切片采集根际切片采集根际土壤土壤缺点：蒸腾强缺点：蒸腾强度高时，植物度高时，植物易出现凋萎现易出现凋萎现象象Kuchenbuch and Jungk2.2 改进根垫法改进根垫法植植株株生生长长在在筛筛网网上上的的石石英英砂砂中中六六个个相相同同的的盒盒组组成成一一个个盒盒组组，增加了土样量增加了土样量取取样样：取取出出各各个个小小盒盒，用用人人工工方方法法其其内内土土壤壤按按1mm间间距距逐逐层层推推出出，用用刀刀片片切切取取土土样样,为根际土壤为根际土壤盒组盒组土壤土壤框框筛网筛网外盒外盒3.集束根集束根-土块接触法土块接触法 3.1刘芷宇等，刘芷宇等，1981年年优点：能较严格区分距根面不同距离的微区土壤优点：能较严格区分距根面不同距离的微区土壤缺缺点点：1.容容易易对对根根产产生生机机械械损损伤伤而而改改变变其其吸吸收收特特性性 2.土块水分含量难恒定而影响根际养分分布土块水分含量难恒定而影响根际养分分布3.2 三室盆栽系统三室盆栽系统改进的集束平面根法改进的集束平面根法调调节节瓶瓶中中水水的的高高度度，使使纤纤维维绳绳的的吸吸水水速速度度应应和和植植物物蒸腾和土壤蒸发速度相一致蒸腾和土壤蒸发速度相一致减轻了水流对土壤结构的破坏和养分迁移的干扰减轻了水流对土壤结构的破坏和养分迁移的干扰筛网筛网纤维绳纤维绳水水4.根箱法根箱法4.1 在在种种植植作作物物的的一一面面形形成成平平面面根根，一一定时间后取宽室土壤纵向切片取样定时间后取宽室土壤纵向切片取样植物植物土壤土壤有机玻璃盒有机玻璃盒固定螺丝固定螺丝尼龙网纱尼龙网纱4.2 改进根箱法改进根箱法Wyss et al。1993年年装装置置分分三三室室，中中间间为为接接种种室室，两两侧侧为为测测试试植植物物室室。并并且且测测试试植物室又分为植物室又分为5个小室。个小室。在在接接种种室室和和测测试试室室之之间间分分别别加加一一层层尼尼龙龙膜膜和和PTFE膜膜，加加尼尼龙龙膜膜的的菌菌根根菌菌不不能能通通过过，而而分分泌泌物物可可通通过过，加加PTFE膜膜的的菌菌和分泌物均不能通过和分泌物均不能通过根分泌物根分泌物菌根菌菌根菌PTFE膜膜接种室接种室尼龙膜尼龙膜大田中如何采集根际土壤样品大田中如何采集根际土壤样品?根际非破坏性根际非破坏性原位研究技术原位研究技术正在得到广正在得到广泛的应用，最典型的例子是根际的原位泛的应用，最典型的例子是根际的原位显色技术。利用这种技术能够显色技术。利用这种技术能够准确并直准确并直观地确定根分泌物释放的部位观地确定根分泌物释放的部位或或根际反根际反应的部位应的部位。多种显色技术已经在根际化。多种显色技术已经在根际化学变化的检测中得到了应用。学变化的检测中得到了应用。1.原位显色法原位显色法显色试验技术一般包括显色试验技术一般包括显色剂显色剂和和载体载体两大部分，显两大部分，显色剂是色剂是指指pH、Eh指示剂或酶反应底物指示剂或酶反应底物，载体通常为，载体通常为琼脂板、聚丙烯酰胺膜、滤纸或层析纸琼脂板、聚丙烯酰胺膜、滤纸或层析纸。把含有显色剂的载体平板或膜放在液培或土培植物把含有显色剂的载体平板或膜放在液培或土培植物的根系表面，该方法是的根系表面，该方法是定性定性或或半定量半定量的测定技术，的测定技术，在某些情况下，也可以完全在某些情况下，也可以完全定量定量评价根际化学过程评价根际化学过程的变化。的变化。1.1 根际根际pH的原位显色的原位显色 在在100ml蒸蒸馏馏水水中中加加入入0.75g琼琼脂脂粉粉，加加热热溶溶解解，配成配成7.5g/L的琼脂溶液。的琼脂溶液。加加入入2mlpH指指示示剂剂溴溴甲甲酚酚紫紫贮贮存存液液，使使溴溴甲酚紫的最终浓度为甲酚紫的最终浓度为0.06g/L，搅拌均匀。，搅拌均匀。用用稀稀NaOH或或稀稀HCl精精确确调调pH值值至至6.0，使使琼琼脂脂呈呈暗暗红红色色，将将此此琼琼脂脂液液放放置置在在40 C热热水水浴浴或或40 C恒温箱中待用。恒温箱中待用。取取自自制制的的清清洗洗干干净净的的有有机机玻玻璃璃盒盒，平平放放在在实实验验台台上上。将将不不同同处处理理的的幼幼苗苗从从营营养养液液中中取取出出，用用蒸蒸馏馏水水冲冲洗洗根根系系并并用用清清洁洁吸吸水水纸纸将将根根系系上上的的水水分分吸吸干干，将将幼幼苗苗仔仔细细铺铺展展在在有有机机玻玻璃璃盒盒中中，植植株地上部置于盒外，并用胶带纸固定好植株。株地上部置于盒外，并用胶带纸固定好植株。将将调调好好pH值值的的指指示示剂剂-琼琼脂脂混混合合液液缓缓缓缓倒倒入入铺有根系的有机玻璃盒中。铺有根系的有机玻璃盒中。随随着着温温度度的的降降低低，琼琼脂脂溶溶液液慢慢慢慢凝凝固固为为琼琼脂脂板板。显显色色时时间间为为15min至至2h，显显色色后后观观察察根根系系附附近近琼琼脂脂颜颜色色的的变变化化，黄黄色色区区域域显显示出根际的示出根际的酸化酸化和根和根分泌质子分泌质子的部位。的部位。此此外外，也也可可以以预预先先做做成成琼琼脂脂板板，平平铺铺在在根根系系上，显色观察。上，显色观察。Rmheld 1986200 kg N/haEffect of N form on the rhizosphere pH of barleyNO3-NH4+H+uptake(or OH-release)during NO3-assimilationH+release during NH4+assimilationRmheld 1986Rhizosphere pH of different plant species supplied with 200 kg NO3-N/haSorghum and chickpea鹰嘴豆鹰嘴豆BarleyLentils小扁豆小扁豆Cowpea豇豆豇豆Not all species increase pH缺铁对根际Eh的影响缺铁对根际pH的影响双子叶植物对缺铁的反应pH的变化的变化Fe(III)的还原的还原1.2.根际根际Eh原位显色原位显色根根的的还还原原作作用用使使根根际际Mn变为低价（无色）变为低价（无色）原原理理：KMnO4通通过过氧氧化化滤滤纸纸的的纤纤维维素素，形形成成棕棕色色的的MnO2，MnO2被被还还原后显无色。原后显无色。显显色色剂剂：KMnO4 50 C下下培培养养2h，诱诱导导MnO2的的形形成成，然然后后将将琼琼脂脂片片放放在在根根系系表表面面，MnO2的的还还原原会会导导致致棕棕色色的的琼琼脂片褪色。脂片褪色。载体：琼脂或者滤纸载体：琼脂或者滤纸水水稻稻根根 表表 铁铁 锰锰 氧氧化化 物物 胶胶膜膜的的形形成成氧化区氧化区水稻根水稻根水稻根际氧化带示意图水稻根际氧化带示意图1.3 根分泌物络合铝的原位显色根分泌物络合铝的原位显色含有含有Al-金黄色素三甲酸的琼脂金黄色素三甲酸的琼脂片放在根表面，根分泌物中的片放在根表面，根分泌物中的有机的络合物与有机的络合物与Al-金黄色素三金黄色素三甲酸竞争甲酸竞争Al3+导致琼脂的褪色导致琼脂的褪色红色复合物的载体可用聚丙烯红色复合物的载体可用聚丙烯酰胺凝胶，琼脂或者琼脂糖酰胺凝胶，琼脂或者琼脂糖显色剂：显色剂：Al(NO3)3，金黄色素，金黄色素三甲酸和抗坏血酸三甲酸和抗坏血酸研研究究技技术术与与科科技技进进步步息息息息相相关关，近近30年年来来，电电子子显显微微镜镜、电电子子探探针针、放放射射自自显显影影和和x-射射线线-CT扫扫描描等等等等技技术术用用于于根根际际研研究究，这这方方面面的研究有了很大的发展。的研究有了很大的发展。目目前前，根根际际研研究究技技术术还还很很有有限限，一一些些潜潜在在误误差仍难以解决，如根系引起的误差。差仍难以解决，如根系引起的误差。今今后后，随随着着各各个个领领域域的的技技术术手手段段不不断断地地引引入入根根际际研研究究方方面面，根根际际研研究究技技术术会会迅迅速速发发展展，进进而而推推动动根根际际研研究究的的发发展展，以以期期解解决决更更多多的的实际问题。实际问题。三三.根际研究技术的发展前景根际研究技术的发展前景思考题思考题1、何为根际、何为根际?根际研究的意义是什么？根际研究的意义是什么？2、你你所所掌掌握握的的根根际际土土壤壤样样品品的的采采集集方方法法有有几种几种,分别是什么。分别是什么。3、根根际际原原位位显显色色试试验验法法的的基基本本原原理理是是什什么么？