一种原位监测根系分泌物的生物电化学方法技术

本发明专利技术涉及一种原位监测根系分泌物的生物电化学方法，包括将生物电化学传感器放置于水培槽中，生物电化学传感器包括通过导线串联连接的阳极电极、阴极电极和外电阻，阳极电极定深置于植物根部，阴极电极设置在水培槽中；植物根际微生物或具备胞外电子传递功能的微生物附着在阳极电极表面形成生物膜，植物根系分泌物作为有机碳源被生物膜感知并产生电压信号对植物生长受到胁迫作用；经微生物预先驯化的阳极电极产生质子和电子，质子通过传质传递到达阴极电极，电子通过导线到达阴极电极；测量外电阻电压信号进行处理，判断根系分泌物中有机组分的总量变化。中有机组分的总量变化。中有机组分的总量变化。

【技术实现步骤摘要】
一种原位监测根系分泌物的生物电化学方法


[0001]本专利技术是关于一种原位监测根系分泌物的生物电化学方法，涉及设施农业监测领域。

技术介绍

[0002]设施农业是在环境相对可控条件下，采用工业化手段，实现集约、高效和可持续发展的现代农业生产方式。设施环境参数的精确监测对于实现环境调控十分重要，因此对环境内温光水气肥监测的相关设计不断涌现。
[0003]植物根系可以贮存光合作用合成的有机物，合成一些内源生长素、细胞分裂素等有机物。根系生长过程中会释放根系分泌物，包括低分子量的糖、氨基酸、有机酸及某些酚类物质，不同营养基因型的植物，根系分泌物组分明显不同。存在养分和环境胁迫时，植物通过增加粘胶、酶及某些有机酸的分泌量以适应变化的环境。根系分泌物作用于周围环境产生根际效应，影响根际微生物的生态分布、种群组成，是根际微生物营养物质的主要来源。同时，根际微生物又会反作用于根系分泌物，通过各种途径影响分泌物的产生和组成。
[0004]随着对植物生理学的深入研究，逐渐认识到根系分泌物的化感作用以及与微生物间的互作机制，监测根系分泌物的含量对于反映植物生长状态十分重要，在不扰动根系生长，不破坏根际环境状态下的原位监测则更有意义。现有的很多监测根系分泌物收集装置已经从破坏性取样逐渐转变为原位收集，但是原位收集和后续分离及测试的方法耗费大量时间，有机物易随着时间迁移成分和总量产生变化，并不能反应根系分泌物实时动态的情况。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够实时监测原位监测根系分泌物中有机组分的原位监测根系分泌物的生物电化学方法。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术提供的原位监测根系分泌物的生物电化学方法，包括：
[0007]将生物电化学传感器放置于水培槽中，所述生物电化学传感器包括通过导线串联连接的阳极电极、阴极电极和外电阻，其中，阳极电极定深置于植物根部，阴极电极设置在水培槽中；
[0008]植物根际微生物或具备胞外电子传递功能的微生物附着在阳极电极表面形成生物膜，植物根系分泌物作为有机碳源被生物膜感知并产生电压信号对植物生长受到胁迫作用；
[0009]经微生物预先驯化的阳极电极产生质子和电子，质子通过传质传递到达阴极电极，电子通过导线到达阴极电极；
[0010]测量外电阻电压信号进行处理，判断根系分泌物中有机组分的总量变化。
[0011]进一步地，阳极电极通过微生物预先驯化，包括：使用EM菌剂或微生物菌肥在独立
电化学系统中进行驯化。
[0012]进一步地，测试前，对所述生物电化学传感器进行标定，包括：通过测试有机组分在不用浓度的不同内阻条件下的标准曲线，用于进行后续测量的浓度对比计算。
[0013]进一步地，所述阳极电极进水处设置有滤膜或过滤装置。
[0014]进一步地，所述阳极电极和阴极电极的电极材料使用高比表面积的材料，包括碳刷、碳布或碳毡。
[0015]进一步地，所述阴极电极上还设置有催化剂，所述催化剂包括铁氰化物、亚硫氨酸和/或甲基紫精，以提升阴极电极氧化性能。
[0016]进一步地，还设置有电压信号采集装置和计算机，所述电压信号采集装置用于采集所述外电阻的电压信号，所述计算机根据采集的电压信号进行处理判断根系分泌物中有机组分的总量变化。
[0017]进一步地，还包括一电化学工作站，通过交流阻抗测试对所述阳极电极内阻进行等效电路拟合，拟合出电荷迁移内阻，进而判断根际微生物活跃程度。
[0018]进一步地，采用所述电化学工作站进行测试时，在开路条件下进行检测，所述阳极电极为电化学工作站的工作电极，所述阴极电极为电化学工作站的对电极，Ag/AgCl电极为电化学工作站的参比电极，设定扫描频率和振幅，将得到的Nyquist图谱进行等效电路的拟合，得到电荷迁移内阻。
[0019]进一步地，还包括外接恒电位仪，通过在所述阳极电极旁插入参比电极并与阳极电极、阴极电极通过三电极模式连接所述恒电位仪上，通过调节恒位电压进而调节阳极电动势能，控制电子传递速率，进而控制微生物的电子传递速率。
[0020]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下特点：本专利技术的原位监测具有实时动态的优势，速度较传统的取样+测试的方法更快，可以广泛应用于植物根系监测中。
附图说明
[0021]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0022]图1为本专利技术实施例的生物电化学传感器结构示意图。
[0023]图2为本专利技术实施例的植物根系分泌状态图。
[0024]图3为本专利技术实施例的生物电化学传感器标定曲线示意图。
[0025]图中附图标记为：1
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阳极电极、2
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阴极电极、3
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导线、4
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外电阻、5
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电压信号采集装置、6
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计算机、7
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根系微生物、8
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恒电位仪、9
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参比电极。
具体实施方式
[0026]应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操
作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0027]尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
[0028]为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
[0029]针对原位收集和后续分离及测试的方法耗费大量时间，有机物易随着时间迁移成分和总量产生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位监测根系分泌物的生物电化学方法，其特征在于，包括：将生物电化学传感器放置于水培槽中，所述生物电化学传感器包括通过导线串联连接的阳极电极、阴极电极和外电阻，其中，阳极电极定深置于植物根部，阴极电极设置在水培槽中；植物根际微生物或具备胞外电子传递功能的微生物附着在阳极电极表面形成生物膜，植物根系分泌物作为有机碳源被生物膜感知并产生电压信号对植物生长受到胁迫作用；经微生物预先驯化的阳极电极产生质子和电子，质子通过传质传递到达阴极电极，电子通过导线到达阴极电极；测量外电阻电压信号进行处理，判断根系分泌物中有机组分的总量变化。2.根据权利要求1所述的原位监测根系分泌物的生物电化学方法，其特征在于，阳极电极通过微生物预先驯化，包括：使用EM菌剂或微生物菌肥在独立电化学系统中进行驯化。3.根据权利要求1所述的原位监测根系分泌物的生物电化学方法，其特征在于，测试前，对所述生物电化学传感器进行标定，包括：通过测试有机组分在不用浓度的不同内阻条件下的标准曲线，用于进行后续测量的浓度对比计算。4.根据权利要求1所述的原位监测根系分泌物的生物电化学方法，其特征在于，所述阳极电极进水处设置有滤膜或过滤装置。5.根据权利要求1所述的原位监测根系分泌物的生物电化学方法，其特征在于，所述阳极电极和阴极电极的电极材料使用高比表面积的材料，包括碳刷、碳布或碳毡。6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄思捷，李琨，程瑞锋，李涛，张玉琪，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，
类型：发明
国别省市：