平面光電極技術(shù)應(yīng)用于沉積物微界面過(guò)程研究取得進(jìn)展

　　沉積物微界面過(guò)程的發(fā)生大都是以微尺度體現(xiàn)的各種物理、化學(xué)和生物效應(yīng)，二維原位研究手段是科學(xué)闡釋這些過(guò)程的關(guān)鍵。平面光電極技術(shù)(簡(jiǎn)稱PO)是當(dāng)前快速發(fā)展的一種新型原位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。PO基于熒光分析原理，通過(guò)將敏感的熒光指示劑附在平面基質(zhì)上，在激發(fā)光源照射下，光敏物質(zhì)與目標(biāo)物相互作用并伴隨熒光信號(hào)（強(qiáng)度、壽命）變化，利用數(shù)字成像技術(shù)實(shí)時(shí)記錄其二維特征發(fā)射光譜，從而測(cè)量目標(biāo)物的二維空間分布信息。該技術(shù)具有極高的靈敏度（高出傳統(tǒng)方法2~3個(gè)數(shù)量級(jí)），能夠攜帶多種光學(xué)特性參數(shù)如量子產(chǎn)率、激發(fā)波長(zhǎng)、釋放波長(zhǎng)、熒光壽命及熒光偏振等，可提供獨(dú)特的多路復(fù)用功能，具有非常優(yōu)異的信號(hào)選擇性。此外，PO系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、響應(yīng)時(shí)間快（ns-s級(jí)）、重現(xiàn)性高等優(yōu)勢(shì)。PO技術(shù)最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)、航空動(dòng)力學(xué)及分子生物學(xué)等研究，近年來(lái)逐步引入到環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

　　在國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所人才引進(jìn)基金的資助下，南京地理所湖泊環(huán)境與工程研究室博士韓超在國(guó)內(nèi)湖泊研究領(lǐng)域率先引入PO，研制出三種PO系統(tǒng)并成功應(yīng)用于沉積物微界面過(guò)程研究。相關(guān)研究成果發(fā)表在Scientific Reports, Science of the Total Environment 和Water Research上面，取得主要研究進(jìn)展如下：

　　(1)構(gòu)建新型CPIPA-PO系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較寬響應(yīng)區(qū)間pH 7.5-pH 10.5、快速響應(yīng)時(shí)間(t < 90 s)、高分辨率(22 μm)及良好抗干擾能力，可適用于堿性基質(zhì)(沉積物、水體和土壤等)監(jiān)測(cè)。利用該技術(shù)進(jìn)一步研究了苦草光合作用對(duì)根際pH二維分布特征的影響(見(jiàn)圖1-I)，結(jié)果表明苦草根際區(qū)域pH呈顯著異質(zhì)性分布，光合作用會(huì)導(dǎo)致上覆水中pH > 9.0，而苦草根際分泌的小分子有機(jī)酸可以導(dǎo)致苦草根際區(qū)域pH降低0.3個(gè)pH單位。

　　(2)構(gòu)建PtOEP-PO系統(tǒng)研究了苦草根系泌氧動(dòng)力學(xué)過(guò)程，該研究從微尺度首次報(bào)道了苦草根際泌氧形式并且原位測(cè)量不同生長(zhǎng)期苦草根系氧釋放通量變化(見(jiàn)圖1-II)。結(jié)果表明根際泌氧過(guò)程發(fā)生在整條根表面，根系氧的釋放量在靠近根基區(qū)域最為強(qiáng)烈而根尖最低；苦草36天生長(zhǎng)期間根際泌氧通量為8.80 ± 7.32 to 30.34 ± 17.71 nmol m-2 s-1，顯著高于多數(shù)沉水植物，因此具備很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；此外，研究還直接證實(shí)光照條件是控制苦草根際泌氧的重要控制因子。

　　(3)構(gòu)建新型復(fù)式傳感器(DOS)可同步、高分辨獲取沉積物微界面DO和活性磷釋放通量二維分布信息，利用DOS系統(tǒng)研究苦草根際界面DO和活性磷的同步變化特征(見(jiàn)圖1-III)，結(jié)果表明苦草根際區(qū)域DO和活性磷通量二維分布特征具有明顯異質(zhì)性且具有很好的同步性；苦草根際泌氧過(guò)程所形成的根際好氧層可明顯促進(jìn)活性磷向非活性磷轉(zhuǎn)化。

圖1. 苦草根際pH (I), 根際泌氧(II)及DO-P (III) 二維分布特征