平面光電極技術(shù)應(yīng)用于沉積物微界面過程研究取得進展

　　沉積物微界面過程的發(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)闡釋這些過程的關(guān)鍵。平面光電極技術(shù)(簡稱PO)是當前快速發(fā)展的一種新型原位、實時監(jiān)測技術(shù)。PO基于熒光分析原理，通過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)與目標物相互作用并伴隨熒光信號（強度、壽命）變化，利用數(shù)字成像技術(shù)實時記錄其二維特征發(fā)射光譜，從而測量目標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個數(shù)量級），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、釋放波長、熒光壽命及熒光偏振等，可提供獨特的多路復(fù)用功能，具有非常優(yōu)異的信號選擇性。此外，PO系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、操作簡便、響應(yīng)時間快（ns-s級）、重現(xiàn)性高等優(yōu)勢。PO技術(shù)最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)、航空動力學(xué)及分子生物學(xué)等研究，近年來逐步引入到環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

　　在國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所人才引進基金的資助下，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。利用該技術(shù)進一步研究了苦草光合作用對根際pH二維分布特征的影響(見圖1-I)，結(jié)果表明苦草根際區(qū)域pH呈顯著異質(zhì)性分布，光合作用會導(dǎo)致上覆水中pH > 9.0，而苦草根際分泌的小分子有機酸可以導(dǎo)致苦草根際區(qū)域pH降低0.3個pH單位。

　　(2)構(gòu)建PtOEP-PO系統(tǒng)研究了苦草根系泌氧動力學(xué)過程，該研究從微尺度首次報道了苦草根際泌氧形式并且原位測量不同生長期苦草根系氧釋放通量變化(見圖1-II)。結(jié)果表明根際泌氧過程發(fā)生在整條根表面，根系氧的釋放量在靠近根基區(qū)域最為強烈而根尖最低；苦草36天生長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，因此具備很強的環(huán)境適應(yīng)能力；此外，研究還直接證實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；苦草根際泌氧過程所形成的根際好氧層可明顯促進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