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CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

日期: 2025-12-04
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CT技术是一种非破坏性三维成像技术,利用X射线扫描样品,通过重建算法生成样品内部结构的高分辨率三维图像。CT技术通过实现从土壤微观结构到植物器官内部形态的无损三维成像与定量分析,为土壤学、植物学及其界面过程的多尺度机制研究提供了前所未有的视角与方法支撑。


 1.土壤应用方向分析:


  • 土壤孔隙结构与水分、气体运移

  • 土壤团聚体形成、稳定性及养分保持机制

  • 土壤动物活动痕迹及其对土壤结构的影响

  • 土壤-微生物空间分布与微生境分析


 2.植物应用方向分析:


  • 植物根系构型、分布及其与土壤互作

  • 茎秆、叶片、种子、果实等器官的内部三维结构

  • 植物维管系统、孔隙网络与水分输导研究

  • 植物响应环境胁迫(如干旱、淹水、机械损伤)的结构变化


 3. 土壤-植物交叉研究方向


  • 根-土界面互作过程与资源获取策略

  • 根系生长对土壤结构的塑造效应

  • 根际微域中水分、养分与微生物的空间异质性

  • 植物根系与土壤动物、微生物的互作可视化


如下是土壤、植物相关样品CT检测相关图例展示和相关分析介绍,如需检测该指标欢迎联系文末工作人员详细沟通~

01

土壤柱状样品


 1、取样:

用小铲子清除土壤表面的杂物,CT扫描原状土柱采集使用高强度抗压PVC管(高10 cm,内径5 cm)进行操作。取样前将PVC管一端打磨成刀刃状打入土中进行取样,采集深度为5-10 cm。采样完成后,用保鲜膜对PVC管进行密封用于Micro-CT扫描。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


 2、检测 

Micro-CT扫描通过计算机控制射线源发出射线束,旋转样品台承载所取的原状土柱,以0.5°/s的速度旋转,平板探测器负责采集扫描获得的系列投影数据,最后计算机通过将采集到的投影数据重建为土壤的横切片图像,每个样品可重建出大概1600张横切面图像。扫描过程中电压最大为160 kV和电流50 μA左右,扫描精度为25.5 μm。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


 3、图像分析 

使用Avizo软件对上述重建后的图像进行图像处理。1.对样品倾斜角度进行矫正,并选择感兴趣区域(ROI),将其余部分裁切掉,减少数据内存大小。2.选择合适的滤波方式使样品的边界更加明显或去除多余的噪点。3.进行阈值分割提取土壤孔隙,选择合适的阈值范围,准确分割土壤孔隙。4.通过算法区分孤立孔隙和连通孔隙。5.计算孤立孔隙的直径、面积、体积等参数。6.连通孔隙可通过孔隙网络模型(PNM)计算出孔隙的直径、面积、体积及吼道的长度等参数。7.孔隙结构的3D表征展示。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

土壤孔隙提取


CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

孤立孔隙:


孔隙大小、面积、体积等


CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

连通孔隙:


可通过孔隙网络模型计算孔隙大小、面积、体积、厚道长度、直径等


CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

  


孔隙网络模型(PNM)



02

土壤团聚体样品


 1、取样 

环刀取样,过筛(不同孔径的筛子,根据用户需求)。


 2、检测 

扫描精度根据团聚体的大小所用精度不同,2mm左右的团聚体扫描时间大概需要40 min,扫描过程中电压80 kV,电流80 μA。


 3、图像分析 

同土柱样品。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

团聚体孔隙提取



CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


03

植物枝条样品


 1、采样 

采n年生植物枝条,至于密封袋中低温保存带回实验室。将枝条从密封袋中去除,放入冷冻干燥仪中进行冷冻干燥。干燥结束,将枝条取出并放入防潮柜中,防止枝条返潮,待测。


 2、检测 

以0.2°/s的旋转步长进行扫描,获得的系列投影数据,通过将采集到的投影数据重建为土壤的横切片图像,每个样品可重建出大概2000张横切面图像。扫描过程中电压最大为50 kV和电流110 μA左右,扫描精度为5 μm。


 3、图像分析 

1.样品倾斜校正。2.滤波去噪点。3.选择感兴趣区域(ROI)。4.阈值分割进行植物木质部导管提取。5.导管参数计算。

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)
CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)

可获得的参数:导管数量、长度、面积、体积、导管的直径等




04

寄生植物样品


 1.印度檀香(半寄生植物,根寄生)

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


 2.广寄生(半寄生植物,茎寄生)

CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


# 栢晖 #


—特色检测指标—

土壤、植物酶活检测

氨基糖、PLFA及其同位素、磷组分

木质素酚、CUE、有机氮组分、有机酸

氨基酸、微生物量碳氮磷、同位素等

苯多羧酸、红外光谱、微生物多样性等

其他土壤、植物、水体等常规检测指标均可测定


CT技术在生态学中的多尺度应用(附检测方法和图像分析)


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    2026 - 09 - 28
    文献信息原名:Global patterns and drivers of soil microbial nitrogen and phosphorus use efficiency译名:土壤微生物氮磷利用效率的全球格局与驱动因子期刊:Nature CommunicationsIF:18.1发表日期:2026年3月17日(在线发表)第一作者:高德才(中国科学院地理科学与资源研究所)背景氮(N)和磷(P)是限制陆地生态系统生产力的两大营养元素。为了应对养分限制,植物和土壤微生物进化出了多种策略来提高N和P的利用效率(NUE, nitrogen use efficiency; PUE, phosphorus use efficiency)。微生物NUE和PUE代表了微生物将同化的N和P分配给生物合成(主要是生长)与矿化途径的比例,反映了养分同化与潜在矿化之间的代谢投资策略。尽管NUE和PUE是关键的微生物功能性状,但其全球格局此前缺乏系统的量化评估。这限制了将微生物性状整合到基于微生物过程的土壤碳和养分循环模型中。鉴于气候变化和土地利用变化等人为活动对全球养分循环的干扰日益加剧,这一知识空白显得尤为紧迫。科学问题(1)评估全球尺度上土壤微生物氮利用效率(NUE)和磷利用效率(PUE)的分布格局,以及不同生物群系之间的差异;(2)量化气候、植被和土壤因子对微生物NUE和PUE的相对重要性,识别调控其全球格局的主导驱动因子。材料与方法(1)数据来源:从Web of Science和Google Scholar数据库提取截至2022年发表的同行评审文献,搜索关键词为“extracellular enzyme” 、 “enzymatic activity” 和“soil enzyme activity”。数据筛选后纳入213篇文献,获得2012个NUE观测值和3419个PUE观测值。(...
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    2026 - 09 - 17
    全氟及多氟烷基物质(PFAS)是一类人工合成的含氟有机物。其碳氟键高度稳定,使这类物质具备耐热、耐腐蚀、抗氧化、疏水疏油及表面活性等性能,因而被广泛用于不粘锅、食品包装、防水纺织品和消防泡沫等。也正因结构稳定,PFAS难以在环境中自然降解,被称为“永久性化学物质”。目前,PFAS已在全球多种环境介质中被检出,并能随水流、大气和生物活动远距离迁移,经饮水、食物、空气和皮肤接触等途径进入人体,成为广受关注的环境健康问题。土壤是PFAS在陆地环境中的重要蓄积介质,也可能成为其向地下水、农作物和食物链迁移的起点。因此,PFAS的测定和研究,对污染筛查和风险管控具有重要意义。如下土壤中全氟化合物的液相色谱-三重四极杆质谱测定方法。一、仪器和设备采样容器(不含氟聚合物材质容器)、液相色谱-三重四极杆质谱仪、冷冻干燥仪、提取装置(水平振荡仪或其他性能相当的设备)、离心机、涡旋振荡混匀器、固相萃取装置。二、测定方法样品前处理:称取自然阴干或冷冻干燥的样品1.0g于离心管,加10ng提取内标,涡旋混匀,静置30min。加15mL氨水-甲醇,混匀,振荡1h,离心,收集上清液。继续用10ml、5mL氨水-甲醇各重复提取一次,合并3次上清液。浓缩至约4mL,加40mL水,用氨水或乙酸调节pH6~7。固相萃取净化:分别用氨水-甲醇、甲醇、水活化弱阴离子交换固相萃取柱,上样,分别用水、乙酸铵缓冲液淋洗柱子,弃去以上流出液。氮气吹干小柱,分别用甲醇、氨水-甲醇洗脱,收集洗脱液,浓缩至近干,加10ng进样内标,用甲醇定容至1.0mL,过0.22µm有机滤膜,待测。三、标准曲线绘制分别取适量标准标准溶液、提取内标及进样内标溶液,用甲醇定容至1mL,配制成目标物质量浓度为:1.0ng/mL、2.0ng/mL、5.0ng/mL、10ng/mL、20ng/mL、50ng/mL、100ng/mL,提取内标...
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    2026 - 09 - 17
    即日起至2026年12月31日,凡在栢晖测定FTICR-MS,三维荧光光谱(EEM),CT扫描,PY-GCMS,13C-NMR,X射线衍射(XRD),即可免费获取相关指标数据分析处理、图谱绘制等服务。01FTICR-MS基础服务:包括分子组成分析、Van Krevelen plots、Kendrick plots、NOSC图、DBE-O图等增值服务:复现文献中的相关图片和分析。分子组成分析可视化02三维荧光光谱(EEM)预处理:扣除空白水样,矫正内滤效应,去除瑞丽散射与拉曼散射,进行拉曼归一化处理基础服务:包括三维荧光指数表,各组分最大荧光强度、Ex载荷和Em载荷,各区域的荧光积分表等三维荧光指数计算:生物指数(BIX)、荧光指数(FI)、腐殖化指数(HIX)03CT扫描基础服务:包括土柱三维图、空隙提取,连通空隙、孤立空隙提取等,各指标计算表格04PY-GCMS基础服务:包括分子结构、基于化学结构分类等0513C-NMR基础服务:包括各碳种类的相对丰度等06X射线衍射(XRD)基础服务:包括获取物相和PDF卡片,绘制相关图
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    2026 - 09 - 11
    CUE / 18O-H2O示踪法微生物碳利用效率是指微生物分配给生长的碳量占吸收总碳量的比率,它反映了微生物合成代谢和分解代谢之间的平衡。影响土壤CUE的因素是多方面的,包括非生物因素(如pH、温度、水分和土壤质地等)和生物因素(如微生物群落结构、微生物多样性和生物量等)。这些因素通过复杂的相互作用影响CUE,从而影响土壤碳循环和生态系统功能。实验流程计算公式NUE / 15N同位素稀释法微生物氮利用效率是指微生物将获得的有机氮分配到生物量形成过程中的效率,相对于超过氮素矿化释放的微生物需氮量。土壤微生物NUE 受多重因素耦合调控,可划分为非生物因素(温度、水分、pH、土壤质地、养分化学计量比等)与生物因素(微生物群落结构、多样性、生物量及代谢途径等)。各因素通过交互作用调控微生物氮代谢过程,改变NUE水平,进而影响土壤氮循环效率与生态系统氮素平衡。实验流程计算公式CAE / 13C-葡萄糖标记法在 ¹³C‑葡萄糖添加培养实验下,外源底物碳经过微生物转化后,保留在土壤体系内的碳占总输入底物碳的比例;用来表征土壤微生物碳泵框架下,微生物将活性底物转化、留存为微生物源碳的综合转化积累效率。实验流程计算公式
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说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
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