【原】【LorMe周刊】综述：微流体技术是探索土壤环境过程的新兴平台

作者：官洁，华中农业大学资源与环境学院硕士在读，主要研究矿物表面微生物群落表征。

本期周刊为您介绍微流体技术在土壤探索过程中的应用，原文于2021年发表在《Environmental Science & Technology》上。

主要内容

因为异质性、不透明性和动态性让土壤系统成为一个“黑箱”，难以捉摸其中的相互作用和过程，所以研究土壤中的环境过程需要创新，需要结合多学科的先进技术来为微观尺度下土壤复杂过程提供见解。近年来，微流体技术发展迅速（见图1A），其通过高度控制的物理和化学微环境来模拟土壤在孔隙、团聚体和微生物尺度上的一些关键特征构建模型（见图1B），使微流体成为在芯片上探索土壤过程的理想研究平台和实验工具(见图2A)。

设计微流体土壤研究平台具有高度目的性，不存在通用的“土壤芯片”。一般根据研究问题和假设，提供土壤系统的关键特征和参数，使用不同的微/纳米制造技术和材料，以指导微流体装置的设计（见图2B）。微流体平台揭示的过程、反应、机制和效应将推动对复杂土壤系统的进一步和跨尺度研究。多种技术的结合使微流体成为一种可以用于观察、反应、分析和表征的综合方法。

图1 (A)微流体开发和应用中重大事件的时间表。(改编自参考文献2 (版权所有2019Convery and Gadegaard))。(B)使用软光刻的基于PDMS的微流体器件的典型制造程序。(Ⅰ)在硅晶片上旋涂一层均匀的光刻胶。(Ⅱ)通过具有所需图案的光掩模将光致抗蚀剂暴露于紫外线辐射。(Ⅲ)通过显影去除未曝光的光致抗蚀剂，以获得图案化母片。(Ⅳ)将PDMS预聚物和固化剂的混合物倒在母料上并固化。(Ⅴ)剥下已固化的PDMS并打孔，以制作入口和出口。(Ⅶ)将经过等离子体处理的PDMS和载玻片粘合在一起，制成一个密封装置。

图2 (A)微流体在探索土壤环境过程中的应用概述。(B)土壤环境过程研究中使用微流体的概念框架和逻辑流程。

本综述从三个方面系统总结了微流体在探索土壤过程中的新兴应用：

首先，微流体技术应用于土壤界面过程研究，包括迁移和反应、吸附和解吸、沉淀和溶解，对污染物的去向、土壤有机质的保存和土壤质量起着关键性的控制作用（见图3）；

图3 用于研究界面过程的微流体土壤平台。(A)用于研究微小隐孢子虫卵囊转运的具有选择性沉积的Fe₂O₃的二氧化硅微模型(改编自参考文献25)。(B)用于研究离子强度梯度下纳米粒子聚集的微流体装置(转载自参考文献40)。(C)使用共焦显微镜对游离碳化合物在粘土上的吸附-解吸进行片上可视化(改编自参考文献42)。(D)在微模型中以孔隙尺度对碳酸钙沉淀的时间序列变化进行微观观察(改编自参考文献43)。(E)微流体流动池，用于模拟土壤孔隙中富含K的矿物中K⁺离子的浸出(改编自参考文献53)。

其次，微流体技术应用于微生物过程研究，主要包括微生物-环境相互作用，主要解决土壤微生物如何适应环境因素以及微生物活动如何重塑土壤环境的问题（见图4）、微生物群落中发生的微生物-微生物相互作用和微生物-植物相互作用，提供了微生物驱动的生物地球化学循环、土壤演变和污染治理的新见解（见图5）。

最后，微流体技术应用于快速和微型化土壤分析和高通量微生物筛选和生物测定（见图5），这些应用的开发为土壤研究提供了新的工具，有助于实现在集成微流体平台上简化化学、生物、毒理学分析和土壤过程研究的最终目标。 

图4 微流体土壤平台揭示了微生物-环境的相互作用。(A)大肠杆菌可穿透尺寸小于其细胞直径的窄而浅的纳米制造通道，但会导致形态变化(改编自参考文献89)。(B)趋化细菌可从高渗透区向低渗透区迁移，并在NAPL液滴附近聚集(改编自参考文献99)。(C)硫还原菌通过纳米孔与Mn(IV)矿物物理分离，但仍然能够通过其纳米材料还原矿物(改编自参考文献109)。(D)具有真实土壤几何形状的微型模型揭示了孔隙尺度下的水分蒸发动力学(改编自参考文献112)。(E)“土壤芯片”微阵列实现了土壤生物地球化学界面的原位形成和表征(改编自参考文献118)。

图5 用于研究微生物-微生物和微生物-植物相互作用的微流体土壤平台。(A)三种具有共养相互作用的土壤细菌的微流体共培养。只有在确定的空间结构下，社区才能稳定。简称:Av，vinelandii固氮菌；Bl，地衣芽孢杆菌；Pc，凝结羊毛脂芽孢杆菌(改编自参考文献124)。(B)模拟土壤骨架的微流体孔隙网络。在碳和氧的相反浓度梯度下，兼性厌氧菌和专性需氧菌分别自发地向中心和外围分化其生态位(改编自参考文献127)。(C)模拟多孔介质中生物膜形成的微流体装置。在非均质流速场中，生物膜分为底部(红色)和拖缆部分(青色)(改编自参考文献121)。(D)用于实时监测细菌间质粒转移的微流体装置(改编自参考文献122)。(E)用于根-细菌相互作用实时成像的芯片上根设备。将拟南芥根与大肠杆菌(绿色)和枯草芽孢杆菌(红色)的混合物共培养。观察到大肠杆菌被排除，枯草芽孢杆菌定居在根部(改编自参考文献150)。

图6 微流体在以下方面的应用：(Ⅰ)快速和微型化土壤分析；(Ⅱ)高通量微生物筛选和生物测定。为实现在集成微流体平台上简化化学、生物、毒理学分析和土壤过程研究的最终目标，已经开发了多种微流体技术。(A)用于土壤中农药残留综合预处理和测定的离心微流体装置(改编自参考文献159)。(B)用于测定土壤孔隙水中Cd(II)的三电极系统微流体芯片(改编自参考文献165)。(C)用于测定土壤中溶解的活性磷的微流体纸基装置(改编自参考文献150)。(D)“iChip”用于原位培养土壤中未培养的微生物(改编自参考文献174)。(E)用于分离土壤PAH降解细菌的微流体平板法(改编自参考文献175)。(F)细菌呼吸抑制。

总结

作为一种新兴的研究环境土壤的实验工具——微流体学也面临着一些必须考虑和解决的挑战，比如微流体能充分代表土壤系统吗？如何打破技术壁垒，开始制造和使用微流体？数据采集应采用哪些方法？这些简化和人工系统在多大程度上反映了土壤中的真实情况？

鉴于当前的发展和上述考虑，我们认为未来的研究工作应致力于以下几个方面：（1）需要跨学科合作和技术创新来解决微流体的实际局限性；（2）需要对微流体研究的结果进行跨尺度解释和验证；（3）未来的微流体平台需要针对土壤环境中更复杂的情况。

作者希望该综述能引起具有不同研究重点和背景的土壤科学家和环境研究人员的兴趣，以促进微流体技术在研究土壤微观的、可控的和原位环境过程中的应用。

论文信息

原名：Microfluidics as an Emerging Platform for Exploring Soil Environmental Processes:A Critical Review

译名：综述：微流体技术是探索土壤环境过程的新兴平台

期刊：Environmental Science & Technology

DOI：10.1021/acs.est.1c03899

发表时间：2021.12

通讯作者：陈宝梁

通讯作者单位：浙江大学环境科学院