平(ping)面(mian)光(guang)極(ji)案例(li)：藍(lan)藻(zao)分解(jie)過(guo)程中沈積(ji)物(wu)水(shui)界(jie)面(mian)DO的(de)高分(fen)辨(bian)變(bian)化機制

本(ben)次(ci)為您(nin)分享(xiang)壹篇由湖(hu)南文理學院(yuan)團隊(dui)在(zai)《Journal of Cleaner Production》上(shang)發表(biao)的(de)壹篇(pian)學術論文"High-resolution diurnal variation mechanism of oxygen and acid environments at the water–sediment interface during cyanobacterial decomposition"。主(zhu)要(yao)研(yan)究(jiu)了在(zai)藍(lan)藻(zao)分解(jie)期間，水(shui)-沈積(ji)物(wu)界(jie)面(mian)（SWI）上(shang)溶(rong)解(jie)氧（DO）和pH值(zhi)的(de)高分(fen)辨(bian)率日變(bian)化機制。

研(yan)究方(fang)法：

• 1. 使用(yong)平(ping)面(mian)光(guang)極(ji)（PO）系(xi)統，在(zai)實驗(yan)室微宇宙(zhou)界(jie)面(mian)獲(huo)取DO/pH的(de)動(dong)態(tai)二維(wei)（2D）圖(tu)像。

• 2. 研(yan)究(jiu)了SWI處DO/pH的(de)底質(zhi)梯度(du)和(he)日變(bian)化，以(yi)及它(ta)們如(ru)何受(shou)藻(zao)類光(guang)合(he)作用(yong)/呼(hu)吸(xi)作(zuo)用(yong)和(he)遷(qian)移(yi)行為的(de)共(gong)同(tong)調節。

主(zhu)要(yao)發現：

• 在(zai)藻(zao)華分(fen)解的(de)不同(tong)階段，SWI處的(de)DO/pH顯示(shi)出(chu)日(ri)變(bian)化特征(zheng)。

• 白(bai)天(tian)DO/pH的(de)增加源(yuan)於藻(zao)類光(guang)合(he)作用(yong)導(dao)致(zhi)的(de)O2豐富和(he)碳(tan)酸(suan)鹽水(shui)解，以(yi)補償(chang)CO2飽和度(du)的(de)降低。

• 夜間DO/pH的(de)減少是(shi)由於(yu)O2耗盡(jin)和H+釋放，因(yin)為藻(zao)類呼(hu)吸(xi)作(zuo)用(yong)導(dao)致(zhi)水(shui)體CO2含(han)量(liang)增加。

• 當(dang)光(guang)合(he)作用(yong)和(he)呼(hu)吸(xi)作(zuo)用(yong)受(shou)到(dao)抑(yi)制或不順暢(chang)時，DO/pH的(de)增加有限(xian)且(qie)不確定(ding)。

• 沈積(ji)物(wu)並(bing)不無(wu)氧，DO/pH可滲透(tou)至(zhi)-20 mm甚至(zhi)界(jie)面(mian)底(di)部（-40 mm）。

• 沈(chen)積(ji)物(wu)作(zuo)為堿性環(huan)境(jing)的(de)儲(chu)庫，對水(shui)體富營養(yang)化構(gou)成(cheng)潛(qian)在(zai)風(feng)險。

• 
  

在(zai)本(ben)文中，平面(mian)光(guang)極(ji)（Planar Optode, PO）系(xi)統被(bei)應用(yong)於(yu)監(jian)測和(he)分(fen)析水(shui)-沈積(ji)物(wu)界(jie)面(mian)（SWI）處溶(rong)解(jie)氧（DO）和pH值(zhi)的(de)高分(fen)辨(bian)率日變(bian)化。以(yi)下(xia)是平面(mian)光(guang)極(ji)在(zai)本(ben)文中的(de)具(ju)體用(yong)途(tu)：

1. 動(dong)態(tai)二維(wei)成(cheng)像：利用(yong)平(ping)面(mian)光(guang)極(ji)系(xi)統獲(huo)取SWI處DO和pH的(de)動(dong)態(tai)二維(wei)（2D）圖(tu)像，這(zhe)有助(zhu)於(yu)理解(jie)藻(zao)華分(fen)解過(guo)程中的(de)生(sheng)物(wu)地(di)球化學過(guo)程。

2. 高(gao)時(shi)空分(fen)辨(bian)率：通過(guo)平面(mian)光(guang)極(ji)技術，研(yan)究者(zhe)能(neng)夠以(yi)亞(ya)毫米到毫米級的(de)空間分辨(bian)率和毫秒(miao)級的(de)時間分辨(bian)率監(jian)測DO和(he)pH的(de)變(bian)化。

3. 實驗(yan)室微宇宙(zhou)模(mo)擬：在(zai)實驗(yan)室條(tiao)件下(xia)模(mo)擬自然(ran)水(shui)體環(huan)境(jing)，使用(yong)平(ping)面(mian)光(guang)極(ji)系(xi)統在(zai)控(kong)制條(tiao)件下(xia)監(jian)測SWI的(de)化學特性。

4. 日變(bian)化特性分析(xi)：研究(jiu)SWI處DO和pH的(de)日變(bian)化特性，揭示(shi)不同(tong)藻(zao)華分(fen)解階段的(de)特定(ding)模(mo)式。

5. 藻(zao)類光(guang)合(he)作用(yong)和(he)呼(hu)吸(xi)作(zuo)用(yong)研(yan)究(jiu)：通過(guo)監(jian)測DO和(he)pH的(de)變(bian)化，研究(jiu)藻(zao)類光(guang)合(he)作用(yong)和(he)呼(hu)吸(xi)作(zuo)用(yong)如(ru)何(he)影(ying)響(xiang)SWI處的(de)化學環(huan)境(jing)。

6. 沈積(ji)物(wu)中氧氣(qi)和(he)pH的(de)穿(chuan)透(tou)：分(fen)析(xi)沈(chen)積(ji)物(wu)中氧氣(qi)和(he)pH的(de)垂(chui)直(zhi)梯(ti)度(du)，了解(jie)藻(zao)類遷(qian)移(yi)行為如(ru)何(he)影(ying)響(xiang)沈積(ji)物(wu)中的(de)氧氣(qi)和(he)pH分(fen)布(bu)。

7. 富營養(yang)化風(feng)險評(ping)估(gu)：通過(guo)監(jian)測沈(chen)積(ji)物(wu)作(zuo)為堿性環(huan)境(jing)的(de)儲(chu)庫，評(ping)估(gu)水(shui)體富營養(yang)化的(de)潛在(zai)風(feng)險。

8. 數據(ju)記錄(lu)和(he)分析(xi)：使用(yong)平(ping)面(mian)光(guang)極(ji)系(xi)統記錄的(de)數據(ju)，通過(guo)專業(ye)軟(ruan)件進行圖像處理和(he)數(shu)據(ju)分析(xi)，以(yi)獲(huo)得(de)有關DO和pH變(bian)化的(de)詳細信息(xi)。

9. 環(huan)境(jing)行為和(he)碳(tan)循環(huan)研(yan)究：利用(yong)高(gao)分(fen)辨(bian)率的(de)監(jian)測數(shu)據(ju)，研究(jiu)環(huan)境(jing)中的(de)CO2行為和(he)碳(tan)循環(huan)機制。

10. 藻(zao)華控(kong)制策略：基(ji)於(yu)對DO和pH變(bian)化的(de)監(jian)測，提(ti)出(chu)有效的(de)藻(zao)華控(kong)制策略，如遮光(guang)和(he)註(zhu)入惰性氣體來(lai)調節(jie)水(shui)體中的(de)DO飽和(he)度(du)和(he)pH值(zhi)。

平面(mian)光(guang)極(ji)技術的(de)應用(yong)為理解(jie)藻(zao)華分(fen)解過(guo)程中SWI處的(de)復雜(za)化學動(dong)態(tai)提(ti)供了壹(yi)種(zhong)強有力的(de)工(gong)具(ju)，有助(zhu)於(yu)開發新(xin)的(de)藻(zao)類控(kong)制技術和(he)富營養(yang)化管(guan)理方(fang)案。智(zhi)感環(huan)境(jing)團隊(dui)基(ji)於(yu)平(ping)面(mian)光(guang)極(ji)技術開發了封(feng)閉(bi)式平(ping)面(mian)光(guang)極(ji)設(she)備(bei)，並(bing)成(cheng)功將(jiang)其(qi)應用(yong)於(yu)沈(chen)積(ji)物(wu)-水(shui)微界(jie)面(mian)、水(shui)生(sheng)動(dong)植(zhi)物(wu)和(he)土(tu)壤植物(wu)根(gen)際(ji)環(huan)境(jing)的(de)研究(jiu)。這(zhe)些(xie)設(she)備具(ju)備(bei)以(yi)下(xia)特點：

1. 實時、快速(su)地(di)獲(huo)取區(qu)域DO/pH/CO₂的(de)分布(bu)。

2. 設備(bei)自帶(dai)封閉(bi)式箱(xiang)體，滿(man)足(zu)測定(ding)所需(xu)的(de)暗室條(tiao)件。

3. 設備與軟(ruan)件配套使(shi)用(yong)，可集成(cheng)校準、獲(huo)取圖(tu)像、處理圖(tu)像於(yu)壹(yi)體。

4. 非(fei)侵入性成(cheng)像測量(liang)，不破壞(huai)原生(sheng)環(huan)境(jing)。

5. 配備高(gao)像素(su)CMOS相(xiang)機，實現時(shi)間分辨(bian)率毫秒(miao)級，空(kong)間分辨(bian)率亞(ya)毫米級。

此外，還有便攜(xie)式平(ping)面(mian)光(guang)極(ji)檢(jian)測儀(yi)PO1100，它(ta)小巧輕便、便於(yu)移(yi)動(dong)和(he)攜帶，同(tong)樣(yang)能夠(gou)實時、快速(su)地(di)獲(huo)取區(qu)域O2/pH/CO2的(de)分布(bu)。使用(yong)前(qian)，熒(ying)光(guang)傳(chuan)感膜(mo)需(xu)要(yao)標(biao)定(ding)並繪制標(biao)準曲(qu)線，工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)和存儲(chu)環(huan)境(jing)對溫度(du)和(he)濕(shi)度(du)有壹定(ding)要(yao)求。