云南大学团队揭示微生物驱动湖泊氮循环新机制 荧光探针技术助力 NO 精准监测

NO 作为大气中一种高活性痕量气体，不仅对空气质量有重要影响，还在湖泊富营养化过程中扮演关键角色。然而，传统的 NO 检测方法存在原位条件破坏、时间分辨率低、易受复杂水体基质干扰等问题，难以满足湖泊环境中 NO 的高效监测需求。荧光探针技术因具有高特异性、灵敏度和实时成像能力，成为解决这一难题的潜在方案。

研究团队设计的 LR-P 探针基于分子内电荷转移（ICT）和光诱导电子转移（PET）的竞争机制，通过喹啉 - 吲哚盐共轭体系与三苯基膦识别位点的巧妙结合，实现对 NO 的特异性响应。当 NO 与三苯基膦结合后，探针的分子结构发生变化，导致 PET 效应增强，荧光强度显著淬灭，从而能够通过荧光信号的变化对 NO 浓度进行定量检测。

图 1：LR-P 探针与 NO 反应前呈红色荧光，反应后荧光淬灭，结合分子轨道分布揭示其通过光诱导电子转移（PET）机制响应 NO 的原理。

实验结果表明，LR-P 探针在纯水中对 NO 的检测限低至 0.1 μmol/L，荧光强度随 NO 浓度升高呈线性下降（R²=0.729，p<0.001），且反应可在 1 秒内完成。面对 37 种潜在干扰物质（包括金属离子、氨基酸、活性氧等），LR-P 探针表现出高度选择性，仅 NO 能显著降低其荧光强度。在不同营养状态的高原湖泊（洱海、滇池、杞麓湖）检测中，探针的荧光量子产率与 NO 浓度呈负相关，且不受 pH（4.5-8.5）、溶解氧等环境因子的显著影响，展现出良好的环境适用性。

图 2：通过 NO 滴定、选择性实验等证实 LR-P 对 NO 具有高灵敏度（检测限 0.1 μmol/L）、快速响应（1 秒内完成）和强抗干扰性。

图 3：不同高原湖泊（洱海、滇池、杞麓湖）的荧光信号与 NO 浓度呈负相关，多元模型显示荧光信号可解释 72.9% 的 NO 浓度变化。

研究团队选取云南 3 个典型高原湖泊（洱海：中营养；滇池：富营养；杞麓湖：重污染），将荧光探针技术与实时荧光定量 PCR（qPCR）相结合，分析 NO 浓度与氮循环功能基因（amoA AOA/AOB、nirS、nirK、nosZ）的相关性。结果显示，滇池 NO 浓度最高（0.08-0.12 mg/L），洱海次之（0.04-0.07 mg/L），杞麓湖最低（0.03-0.05 mg/L），且 NO 浓度与氨氧化基因及反硝化基因丰度显著正相关（p<0.001），表明微生物的硝化 - 反硝化过程是湖泊 NO 的主要来源。进一步分析发现，总氮（TN）、氨氮（NH₄⁺-N）是影响 NO 分布的关键因子，TN 可解释 32.3% 的荧光信号变异，揭示出氮负荷通过调控微生物代谢驱动 NO 释放。

图 4：荧光量子产率与总氮（TN）、氨氮等环境因子显著相关，TN 是影响 NO 分布的关键驱动因素。

图 5：荧光信号与氨氧化基因（amoA）及反硝化基因（nirS、nirK 等）丰度呈负相关，表明探针可间接反映微生物对 NO 的调控。

该研究首次建立了荧光信号与 NO 浓度的多元线性参数模型，并结合 qPCR 技术实现了 “分子检测 - 基因分析” 的一体化，为湖泊氮循环研究提供了跨尺度视角。LR-P 探针技术可在野外现场快速检测 NO 浓度（30 分钟内完成），无需复杂的样品前处理，适用于湖泊生态调查、水质预警及气候变化研究。这项成果不仅为解析湖泊 - 大气氮交换机制、评估 NO 对温室效应的贡献提供了关键工具，未来还有望推广至其他环境污染物的实时监测，为水生态保护和可持续发展提供重要技术支撑。

参考文献：Chen Z, Li R, Raza S T, et al. Environment-specific fluorescence probe for investigating detection mechanism of nitric oxide in lakes[J]. Journal of Hazardous Materials, 2025: 138622.