微觀(guan)尺度(du)下的(de)生(sheng)態密鑰：微電(dian)極(ji)開(kai)啟土(tu)壤沈積物界(jie)面過(guo)程(cheng)研究新(xin)視野(ye)

土(tu)壤與沈積物作(zuo)為(wei)地球生態系(xi)統(tong)的(de)重要組(zu)成(cheng)部(bu)分，其(qi)與水體間的(de)界(jie)面過(guo)程(cheng)對(dui)物質(zhi)循(xun)環(huan)、能量流動以及生(sheng)態系(xi)統(tong)健康有(you)著深(shen)遠(yuan)影響(xiang)。沈積物 - 水界(jie)面是(shi)壹(yi)個復雜(za)的(de)物理、化(hua)學(xue)和(he)生物作(zuo)用(yong)區(qu)域(yu)，氧(yang)氣、硫(liu)化(hua)氫等(deng)物質(zhi)在(zai)此(ci)區(qu)域(yu)的(de)交換(huan)與轉(zhuan)化(hua)，直(zhi)接(jie)影響(xiang)著水(shui)體和(he)沈積物的(de)理(li)化(hua)性(xing)質(zhi)、微生(sheng)物活(huo)動以及生(sheng)態系(xi)統(tong)功能(neng)。傳(chuan)統(tong)的(de)監(jian)測(ce)方(fang)法在研究沈積物- 水界(jie)面物質(zhi)交換(huan)機制(zhi)時(shi)存在壹(yi)定局(ju)限性(xing)，難(nan)以(yi)實(shi)現對(dui)界(jie)面微觀(guan)尺度(du)物質(zhi)動態變(bian)化(hua)的(de)精(jing)準(zhun)測(ce)量(liang)。而微電(dian)極(ji)技術(shu)憑(ping)借(jie)其(qi)優勢(shi)，為(wei)深(shen)入研究土(tu)壤與沈積物監測(ce)領(ling)域(yu)中的(de)界(jie)面過(guo)程(cheng)提供(gong)了新(xin)的(de)有(you)效手段(duan)。

微電(dian)極(ji)是壹(yi)種(zhong)具有(you)微米(mi)級探頭尺寸(cun)的(de)電(dian)極(ji)，其(qi)工作(zuo)原理(li)基於物質(zhi)在(zai)電(dian)極(ji)表(biao)面發生的(de)電(dian)化(hua)學(xue)反(fan)應。當微電(dian)極(ji)插入沈積物- 水界(jie)面時(shi)，目標(biao)物質(zhi)（如氧(yang)氣、硫(liu)化(hua)氫等(deng)）會在電(dian)極(ji)表(biao)面發生氧(yang)化(hua)或還(hai)原(yuan)反(fan)應，產生(sheng)與物質(zhi)濃(nong)度相關(guan)的(de)電(dian)信號。通(tong)過(guo)對(dui)這(zhe)些(xie)電(dian)信號的(de)測(ce)量(liang)和(he)分析，就(jiu)能(neng)夠(gou)獲取目標(biao)物質(zhi)在(zai)電(dian)極(ji)附近(jin)的(de)濃(nong)度信息(xi)。

微電(dian)極(ji)設備具(ju)有(you)諸(zhu)多(duo)顯著特點。首(shou)先(xian)，其(qi)微米(mi)級的(de)探頭尺寸(cun)使(shi)其(qi)具有(you)較高(gao)的(de)空(kong)間分辨(bian)率，能夠在(zai)微觀(guan)尺度(du)上(shang)對(dui)沈積物 - 水界(jie)面進行精(jing)確測(ce)量(liang)，捕捉(zhuo)到(dao)傳(chuan)統(tong)方(fang)法(fa)難(nan)以(yi)檢(jian)測(ce)到(dao)的(de)物質(zhi)濃(nong)度梯度(du)變化(hua)。其(qi)次，微電(dian)極(ji)的(de)響(xiang)應速度(du)快，能夠(gou)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)物質(zhi)濃(nong)度的(de)動態變(bian)化(hua)，對(dui)於研究快速發生的(de)界(jie)面過(guo)程(cheng)至(zhi)關(guan)重要。此(ci)外(wai)，微電(dian)極(ji)可以(yi)進行原(yuan)位測(ce)量(liang)，避免了樣品(pin)采(cai)集和(he)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)中可能引入的(de)誤(wu)差，保證了(le)數(shu)據(ju)的(de)真實(shi)性和(he)可靠(kao)性(xing)  。

微電(dian)極(ji)在土(tu)壤與沈積物監測(ce)中(zhong)的(de)應用(yong)

（壹(yi)）氧(yang)氣擴散(san)通(tong)量研究

氧(yang)氣在沈積物 - 水界(jie)面的(de)擴(kuo)散(san)通(tong)量對(dui)微生(sheng)物呼吸(xi)、有(you)機物分解(jie)以(yi)及(ji)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)反(fan)應等過(guo)程(cheng)起著關(guan)鍵(jian)調控(kong)作(zuo)用(yong)。微電(dian)極(ji)能夠(gou)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)沈積物 - 水界(jie)面不(bu)同深(shen)度處(chu)的(de)氧(yang)氣濃(nong)度，通(tong)過(guo)構建(jian)氧(yang)氣濃(nong)度梯度(du)曲線，結合(he)菲克(ke)擴(kuo)散定(ding)律(lv)，可準(zhun)確(que)計(ji)算(suan)出(chu)氧(yang)氣的(de)擴(kuo)散(san)通(tong)量。研究發現，在富(fu)營養(yang)化(hua)湖泊的(de)沈積物 - 水界(jie)面，由(you)於藻(zao)類大量(liang)繁(fan)殖(zhi)和(he)有機(ji)物積累(lei)，氧(yang)氣在沈積物表(biao)層(ceng)迅速消耗(hao)，形(xing)成明顯的(de)氧(yang)氣濃(nong)度梯度(du)，微電(dian)極(ji)測(ce)量(liang)結果(guo)顯示氧(yang)氣擴散(san)通(tong)量在(zai)不(bu)同季(ji)節(jie)和(he)不(bu)同區(qu)域(yu)存在顯著差異(yi)，這(zhe)為(wei)深(shen)入理解(jie)湖泊生態系(xi)統(tong)中(zhong)氧(yang)氣循環(huan)機制(zhi)提供(gong)了重要數(shu)據(ju)支(zhi)持(chi)。

（二）硫(liu)化(hua)氫擴(kuo)散(san)通(tong)量研究

硫(liu)化(hua)氫是(shi)壹(yi)種(zhong)具有(you)強還(hai)原(yuan)性的(de)物質(zhi)，在(zai)沈積物 - 水界(jie)面的(de)含(han)量(liang)和(he)擴散(san)通(tong)量對(dui)水(shui)體和(he)沈積物的(de)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)狀態、重金屬(shu)遷移(yi)轉(zhuan)化(hua)以(yi)及(ji)水(shui)生生物生存有著重要影響(xiang)。微電(dian)極(ji)可以(yi)有(you)效地檢(jian)測(ce)沈積物 - 水界(jie)面的(de)硫(liu)化(hua)氫濃(nong)度，研究表(biao)明，在(zai)厭(yan)氧(yang)環(huan)境下的(de)沈積物中，硫(liu)化(hua)氫濃(nong)度較高(gao)，並(bing)且會隨著沈積物深(shen)度的(de)增(zeng)加而(er)逐漸升(sheng)高(gao)。通(tong)過(guo)微電(dian)極(ji)對(dui)硫(liu)化(hua)氫擴(kuo)散(san)通(tong)量的(de)測(ce)量(liang)，揭(jie)示了(le)硫(liu)化(hua)氫從(cong)沈積物向水(shui)體擴散(san)的(de)規(gui)律(lv)，以及(ji)其(qi)與硫(liu)酸(suan)鹽(yan)還(hai)原(yuan)菌活(huo)動之間的(de)密切(qie)關(guan)系，為(wei)評(ping)估沈積物中硫(liu)化(hua)物汙染(ran)風(feng)險(xian)和(he)制(zhi)定相(xiang)應的(de)治(zhi)理(li)措(cuo)施提供(gong)了科(ke)學依據(ju)。

（三）揭(jie)示界(jie)面物質(zhi)交換(huan)機制(zhi)

       除了(le)氧(yang)氣和(he)硫(liu)化(hua)氫，微電(dian)極(ji)還(hai)可(ke)以用(yong)於研究其(qi)他多(duo)種(zhong)物質(zhi)（如營養(yang)鹽(yan)、重金屬(shu)離(li)子(zi)等）在(zai)沈積物 - 水界(jie)面的(de)擴(kuo)散(san)和(he)交換(huan)過(guo)程(cheng)。通(tong)過(guo)同時(shi)測(ce)量(liang)多種(zhong)物質(zhi)的(de)濃(nong)度分布(bu)和(he)擴散(san)通(tong)量，結合(he)微生(sheng)物群(qun)落結構(gou)分析和(he)環(huan)境因(yin)素(su)監(jian)測(ce)，能(neng)夠全(quan)面揭(jie)示沈積物 - 水界(jie)面復(fu)雜的(de)物質(zhi)交換(huan)機制(zhi)。例如，研究發現沈積物中營養(yang)鹽(yan)的(de)釋(shi)放與氧(yang)氣濃(nong)度、微生(sheng)物活(huo)動以及沈積物粒徑(jing)等因(yin)素(su)密切(qie)相關(guan)，微電(dian)極(ji)技術(shu)為(wei)闡明這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)之間的(de)相(xiang)互作(zuo)用(yong)關(guan)系提(ti)供(gong)了關(guan)鍵(jian)數(shu)據(ju)，有(you)助(zhu)於深(shen)入理解(jie)生態系(xi)統(tong)中(zhong)物質(zhi)循(xun)環(huan)的(de)調(tiao)控(kong)機(ji)制(zhi)。

       微電(dian)極(ji)技術(shu)在(zai)土(tu)壤與沈積物監測(ce)領(ling)域(yu)中的(de)界(jie)面過(guo)程(cheng)研究中(zhong)發揮著重要作(zuo)用(yong)，通(tong)過(guo)對(dui)氧(yang)氣、硫(liu)化(hua)氫等(deng)物質(zhi)擴(kuo)散(san)通(tong)量的(de)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)，為(wei)揭(jie)示沈積物 - 水界(jie)面物質(zhi)交換(huan)機制(zhi)提供(gong)了關(guan)鍵(jian)數(shu)據(ju)和(he)深(shen)入見(jian)解(jie)。其(qi)高空(kong)間分辨(bian)率、實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)和(he)原位(wei)測(ce)量(liang)等優勢，使(shi)其(qi)成為(wei)研究界(jie)面微觀(guan)過(guo)程(cheng)的(de)有(you)力工(gong)具(ju)。智感環(huan)境是為(wei)數(shu)較(jiao)少能(neng)夠(gou)實(shi)現微電(dian)極(ji)系統(tong)開(kai)發和(he)商(shang)業化(hua)推(tui)廣(guang)的(de)公司(si)，並(bing)創新(xin)性地推出(chu)了(le)微電(dian)極(ji)多通(tong)道(dao)分析系(xi)統(tong)，可以(yi)同步高分辨(bian)率檢(jian)測(ce)pH、DO、Eh、H₂S、NO等(deng)多種(zhong)指(zhi)標(biao)，實(shi)現了我國在(zai)該技術(shu)領(ling)域(yu)的(de)彎道(dao)超(chao)車。然而(er)，目前微電(dian)極(ji)技術(shu)在(zai)實(shi)際應用(yong)中仍(reng)面臨電(dian)極(ji)制(zhi)作(zuo)與校準(zhun)、長(chang)期(qi)穩定性(xing)以及數(shu)據(ju)處(chu)理(li)等(deng)方(fang)面的(de)挑(tiao)戰(zhan)。