平(ping)面(mian)光極分析(xi)儀(yi)巧妙地將(jiang)對(dui)特(te)定(ding)化學(xue)物(wu)質(zhi)敏(min)感(gan)的(de)熒光染(ran)料(liao)與(yu)高分辨率的(de)數(shu)字(zi)成像技(ji)術(shu)相(xiang)結(jie)合，能(neng)夠將(jiang)溶解(jie)氧（DO）、二(er)氧化(hua)碳(tan)（CO₂）、pH值(zhi)等(deng)關(guan)鍵化學(xue)參(can)數(shu)的二(er)維空(kong)間分布(bu)及(ji)其隨(sui)時間的(de)動(dong)態演(yan)變，以(yi)直(zhi)觀、定(ding)量的(de)彩(cai)色(se)圖像形(xing)式(shi)呈(cheng)現在研(yan)究者眼(yan)前。平(ping)面(mian)光極分析(xi)儀(yi)的真(zhen)正價值(zhi)在於它能(neng)夠(gou)解(jie)決(jue)以(yi)往(wang)技(ji)術(shu)無法觸(chu)及的(de)科學(xue)問題(ti)。以(yi)下(xia)將(jiang)通過(guo)三(san)個典(dian)型(xing)的(de)應用(yong)案(an)例(li)，具體(ti)展(zhan)示(shi)該(gai)技(ji)術(shu)如(ru)何在揭示(shi)DO、CO₂和pH的(de)時空動態方(fang)面(mian)發(fa)揮其獨特(te)優勢(shi)。
科學(xue)問題(ti)：水(shui)-沈(chen)積物(wu)界(jie)面(mian)（SWI）是(shi)水(shui)生生態系(xi)統中物(wu)質(zhi)交(jiao)換(huan)較(jiao)活(huo)躍的區域。沈(chen)積(ji)物(wu)的(de)耗(hao)氧速(su)率是(shi)評估(gu)水體(ti)自(zi)凈能力和(he)有(you)機(ji)質礦(kuang)化(hua)強(qiang)度的關(guan)鍵指標(biao)。然(ran)而(er)，底(di)棲(qi)動(dong)物(wu)的(de)生物(wu)擾(rao)動(dong)（Bioturbation）如(ru)何影響(xiang)界面(mian)氧氣分布(bu)和(he)通量(liang)，壹直(zhi)難以原位(wei)、高分辨率地量(liang)化(hua)。
實驗(yan)設(she)置(zhi)：研(yan)究人(ren)員構(gou)建壹(yi)個透明(ming)的玻璃(li)水(shui)槽，底部鋪(pu)設(she)取(qu)自湖(hu)泊的沈積物(wu)，並(bing)引(yin)入壹(yi)些(xie)典型(xing)的(de)底棲動(dong)物(wu)，如(ru)顫(chan)蚓(yin)（Tubificidae）。將(jiang)壹張DO平(ping)面(mian)光極傳感(gan)膜緊(jin)貼(tie)在水槽內(nei)壁(bi)，使其覆蓋(gai)從(cong)上(shang)覆水(shui)到沈積(ji)物(wu)內(nei)部的(de)壹片(pian)垂(chui)直(zhi)區域。使用(yong)平(ping)面(mian)光極分析(xi)儀(yi)的相(xiang)機(ji)對(dui)準(zhun)傳感(gan)膜，進行長時(shi)間的(de)連續拍(pai)攝。
可視化內(nei)容與(yu)發(fa)現： 在沒有動物(wu)活(huo)動(dong)的(de)靜(jing)態時(shi)期(qi)，平(ping)面(mian)光極圖像清(qing)晰地展(zhan)示(shi)了壹(yi)條穩(wen)定(ding)、水平(ping)的(de)氧梯度帶：上(shang)覆水(shui)中是(shi)均(jun)勻的(de)紅(hong)色(se)（高氧），進(jin)入沈積物(wu)後(hou)顏色迅速從(cong)橙(cheng)色(se)、黃色(se)過(guo)渡到深藍(lan)色（無氧），形(xing)成壹條約1-2毫(hao)米(mi)厚(hou)的(de)明(ming)顯界線(xian)。
然(ran)而(er)，當壹只(zhi)顫(chan)蚓(yin)開始其典型(xing)的(de)“鉆(zuan)掘(jue)-灌溉"活(huo)動(dong)時(shi)，驚(jing)人(ren)的壹幕發(fa)生了：
瞬間的(de)氧氣註(zhu)入： 顫(chan)蚓(yin)將(jiang)身體(ti)伸(shen)入(ru)缺(que)氧沈(chen)積物(wu)中，同時(shi)其(qi)尾(wei)部在水-沈積物(wu)界(jie)面(mian)擺(bai)動，將(jiang)富氧的(de)上(shang)覆水(shui)泵入其建立(li)的潛(qian)穴中。在平(ping)面(mian)光極的影像中，可以(yi)看(kan)到壹條(tiao)紅色(se)的“氧氣舌"瞬間刺入(ru)藍(lan)色的缺(que)氧區，形成(cheng)壹(yi)個臨時的(de)、深入沈(chen)積(ji)物(wu)內(nei)部的(de)氧化(hua)微區。
熱(re)點(dian)的生消過(guo)程(cheng)： 當動物(wu)停(ting)止(zhi)活(huo)動(dong)或轉(zhuan)移位(wei)置(zhi)後，這(zhe)個被(bei)註(zhu)入的(de)“氧氣熱(re)點(dian)"會(hui)因(yin)為(wei)周(zhou)圍(wei)沈(chen)積物(wu)的(de)消(xiao)耗(hao)和擴(kuo)散(san)作用(yong)而(er)逐(zhu)漸(jian)縮(suo)小，顏色由(you)紅(hong)變(bian)黃再變(bian)藍(lan)，最終(zhong)在幾分鐘到幾十分鐘內(nei)消失(shi)。
科學(xue)意義(yi)：平(ping)面(mian)光極技(ji)術(shu)將(jiang)這(zhe)種(zhong)間歇性(xing)、脈(mai)沖式(shi)的生物(wu)擾(rao)動(dong)過(guo)程(cheng)以(yi)二(er)維動(dong)態影像的(de)形(xing)式(shi)直(zhi)觀呈(cheng)現。通過(guo)對(dui)圖像序列進行分析(xi)，科學(xue)家可以(yi)：
精確(que)定(ding)量通量(liang)： 計(ji)算(suan)出(chu)由(you)生物(wu)灌(guan)溉活(huo)動(dong)帶(dai)來(lai)的額(e)外氧氣通量(liang)，這(zhe)部(bu)分通量(liang)是(shi)傳(chuan)統壹維擴(kuo)散(san)模(mo)型(xing)無法估(gu)算(suan)的。
理(li)解(jie)耦(ou)合(he)過(guo)程(cheng)： 這(zhe)種(zhong)臨時的(de)氧化(hua)微區會(hui)極(ji)大(da)地促進(jin)硝(xiao)化作用(yong)（氨氧化(hua)為(wei)硝(xiao)酸鹽(yan)），並(bing)影響(xiang)磷、鐵等元(yuan)素(su)的形態和(he)遷移，為(wei)理(li)解(jie)生物(wu)擾(rao)動(dong)如(ru)何驅(qu)動(dong)更復雜的元素循(xun)環提(ti)供了直(zhi)接(jie)視覺證(zheng)據(ju)。
評估(gu)生態功能： 通過(guo)觀察不同種(zhong)類(lei)、不同密(mi)度的底棲動(dong)物(wu)所(suo)造成的(de)擾動(dong)模(mo)式，可以(yi)更準(zhun)確(que)地評估(gu)它們在生態系(xi)統中的功能角(jiao)色(se)。
科學(xue)問題(ti)：植物(wu)根(gen)系並非(fei)被(bei)動地吸收(shou)養分，而(er)是(shi)主動地改(gai)造其周(zhou)圍的(de)根(gen)際微環(huan)境(jing)。例(li)如，通過(guo)釋放(fang)質子(zi)（H⁺）來(lai)酸化土(tu)壤以(yi)溶(rong)解(jie)磷酸鹽(yan)，或通過(guo)釋放(fang)氧氣（在濕地植物(wu)中）來(lai)避免(mian)根(gen)部缺(que)氧毒害。同步(bu)觀測根(gen)際DO和pH的(de)二(er)維分布(bu)，對(dui)於理解(jie)植物(wu)的(de)養分獲取(qu)策(ce)略(lve)和環境(jing)適(shi)應機(ji)制(zhi)至關(guan)重要(yao)。
實驗(yan)設(she)置(zhi)：采(cai)用(yong)根(gen)箱(xiang)（Rhizobox）培(pei)養法。將植物(wu)（如(ru)水(shui)稻或某種(zhong)濕(shi)地植物(wu)）種(zhong)植在薄層(ceng)的透明(ming)根(gen)箱(xiang)中，使其根(gen)系沿(yan)透明(ming)壁(bi)生長。在根(gen)系生長的壹側(ce)，同時(shi)貼(tie)上(shang)DO和(he)pH兩(liang)張平(ping)面(mian)光極傳感(gan)膜（或使用(yong)集(ji)成了兩(liang)種(zhong)染(ran)料(liao)的雙功能膜）。分別(bie)用(yong)配(pei)備了相(xiang)應濾(lv)光片(pian)的相(xiang)機(ji)系統對(dui)兩(liang)張膜進行成像。
可視化內(nei)容與(yu)發(fa)現： 實驗(yan)結(jie)果通常(chang)會(hui)呈(cheng)現出(chu)兩(liang)幅高度相關(guan)但又各(ge)具(ju)特(te)色的(de)化學(xue)地圖：
DO地圖： 在根(gen)系周圍(wei)，尤(you)其是(shi)在生長旺盛(sheng)的根(gen)尖(jian)和根(gen)毛區，會(hui)形(xing)成(cheng)壹個明(ming)顯的藍(lan)色“缺(que)氧光(guang)暈"。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)根(gen)系和附(fu)著(zhe)其(qi)上(shang)的(de)微(wei)生物(wu)強(qiang)烈(lie)的呼吸作用(yong)消(xiao)耗(hao)了(le)大量的氧氣。對(dui)於濕地植物(wu)（如(ru)水(shui)稻），其通氣組織(zhi)會(hui)向根(gen)部輸送(song)氧氣，圖像上(shang)則(ze)可能(neng)在根(gen)的中軸線(xian)附(fu)近(jin)看(kan)到壹條(tiao)微弱的紅色（高氧）條(tiao)帶，而(er)在根(gen)表皮(pi)外(wai)側(ce)迅速(su)變為(wei)藍(lan)色（缺(que)氧），形(xing)成“氧化(hua)根(gen)鞘"的影像。
pH地圖： pH地圖則更為(wei)復雜，它反(fan)映了(le)植物(wu)的(de)營養策(ce)略(lve)。如果植物(wu)以(yi)吸收(shou)銨(an)根(gen)離子（NH₄⁺）為(wei)主要(yao)氮源，根(gen)系會(hui)釋放(fang)H⁺以維持電荷(he)平(ping)衡，導致根(gen)際出(chu)現明(ming)顯的紅色“酸化區域"（低pH）。反之(zhi)，若(ruo)以吸收(shou)硝(xiao)酸根(gen)離子（NO₃⁻）為(wei)主，則會(hui)釋放(fang)OH⁻或HCO₃⁻，導致根(gen)際出(chu)現藍(lan)色“堿(jian)化區域"（高pH）。這(zhe)些(xie)酸化或堿(jian)化的“熱點"往(wang)往(wang)與(yu)根(gen)尖(jian)和側(ce)根(gen)的萌發(fa)點(dian)精確(que)對(dui)應。
科學(xue)意義(yi)：通過(guo)將DO和(he)pH的二(er)維圖像疊(die)加分析(xi)，科學(xue)家能(neng)夠獲得(de)清(qing)晰的(de)洞察(cha)：
揭示(shi)養分活(huo)化(hua)機(ji)制(zhi)： 直(zhi)觀地看(kan)到根(gen)系分泌(mi)的(de)酸如何在其自身創造的缺(que)氧環(huan)境(jing)（這(zhe)會(hui)促進(jin)Fe³⁺還(hai)原(yuan)為(wei)Fe²⁺）中協同作用(yong)，從(cong)而(er)高效(xiao)地釋放(fang)被鐵氧化(hua)物(wu)固(gu)定(ding)的磷。這(zhe)是(shi)對(dui)植物(wu)-土(tu)壤(rang)-微(wei)生物(wu)復雜互作機(ji)制(zhi)的直(zhi)接(jie)可視化證(zheng)明(ming)。
評估(gu)植物(wu)耐(nai)逆性(xing)： 對(dui)於生長在淹水環境(jing)中的植物(wu)，其(qi)向根(gen)際泌氧的(de)能力是(shi)生存的關(guan)鍵。平(ping)面(mian)光極可以(yi)定(ding)量評估(gu)這(zhe)種(zhong)泌(mi)氧的(de)範圍和強(qiang)度，為(wei)篩選(xuan)和(he)培(pei)育耐(nai)澇(lao)作物(wu)品(pin)種(zhong)提(ti)供了壹(yi)種(zhong)強(qiang)大(da)的表型(xing)篩選(xuan)工具。
優化(hua)農(nong)業(ye)實踐(jian)： 理(li)解(jie)不同施(shi)肥(fei)方(fang)案(an)（銨(an)態氮 vs. 硝(xiao)態氮）如何影響(xiang)根(gen)際pH，可以(yi)幫(bang)助指(zhi)導精準(zhun)施肥，提(ti)高肥(fei)料(liao)利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)，減少環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)。
科學(xue)問題(ti)：在富營養化水體(ti)中，藍(lan)藻水華(hua)的(de)爆(bao)發(fa)和(he)消亡(wang)是(shi)劇(ju)烈(lie)的(de)生態事(shi)件(jian)，伴(ban)隨著(zhe)水體(ti)化(hua)學(xue)環境(jing)的(de)巨(ju)大波(bo)動，尤(you)其是(shi)碳(tan)循(xun)環和(he)酸堿(jian)平(ping)衡。理(li)解(jie)藻(zao)類(lei)光(guang)合作用(yong)和(he)呼吸/分解(jie)作用(yong)如(ru)何驅(qu)動(dong)水體(ti)中CO₂和pH的(de)日(ri)夜變化(hua)，對(dui)於預(yu)測水華(hua)影響(xiang)和管理水質至(zhi)關(guan)重要(yao)。
實驗(yan)設(she)置(zhi)：在壹個較(jiao)大(da)的玻璃(li)柱(zhu)中模(mo)擬壹個靜(jing)態的(de)水體(ti)環(huan)境(jing)，接(jie)種(zhong)壹(yi)定(ding)量的(de)藍(lan)藻（如微囊藻），並(bing)提(ti)供充(chong)足(zu)的(de)光照和營養。將CO₂和pH的平(ping)面(mian)光極傳感(gan)膜背對(dui)背貼(tie)合，垂(chui)直(zhi)置(zhi)於水柱(zhu)中。設置(zhi)壹個12小(xiao)時(shi)光照/12小時(shi)黑暗(an)的(de)循(xun)環周(zhou)期(qi)，並(bing)用(yong)平(ping)面(mian)光極系統連續監(jian)測整個水(shui)柱(zhu)的(de)CO₂和(he)pH垂(chui)直(zhi)剖面(mian)變化。這(zhe)壹(yi)應用(yong)場(chang)景在相(xiang)關(guan)研(yan)究中已有(you)報道(dao)，如(ru)Cui et al., J CLEAN PROD., 2024。
可視化內(nei)容與(yu)發(fa)現： 平(ping)面(mian)光極的延(yan)時(shi)影像生動地記(ji)錄(lu)了(le)水體(ti)化(hua)學(xue)環境(jing)隨(sui)晝夜交(jiao)替(ti)而(er)發(fa)生的“呼吸"：
白(bai)天(tian)（光(guang)照期(qi)）： 圖像顯示(shi)，在水柱(zhu)的(de)上(shang)層(ceng)（光照較(jiao)強(qiang)處(chu)），藻類(lei)光(guang)合(he)作用(yong)異(yi)常(chang)活(huo)躍。CO₂傳感(gan)膜呈(cheng)現深(shen)藍(lan)色，表明(ming)CO₂被大(da)量(liang)消(xiao)耗，濃度極低。與(yu)此同時(shi)，pH傳(chuan)感(gan)膜則呈(cheng)現鮮艷的藍(lan)色或紫色(se)，表明(ming)由(you)於CO₂的消耗導致碳(tan)酸平(ping)衡向右(you)移動（HCO₃⁻ → CO₃²⁻ + H⁺），消耗H⁺，使得(de)pH值(zhi)急(ji)劇(ju)升(sheng)高，有(you)時(shi)可達(da)10以(yi)上(shang)。這(zhe)種(zhong)高pH和(he)低CO₂的區域隨(sui)著(zhe)光照時間的(de)延(yan)長而(er)逐(zhu)漸(jian)向下(xia)擴(kuo)展(zhan)。
夜晚(wan)（黑暗(an)期(qi)）： 光(guang)照停(ting)止(zhi)後(hou)，光合作用(yong)停(ting)止(zhi)，整個生態系(xi)統的呼吸作用(yong)（包(bao)括藻(zao)類(lei)、細菌）占(zhan)據(ju)主導。CO₂傳感(gan)膜的顏色開始由(you)藍(lan)轉(zhuan)綠(lv)再轉(zhuan)為(wei)黃紅(hong)色(se)，表明(ming)CO₂不斷(duan)被釋放(fang)和積(ji)累(lei)。相(xiang)應地，pH傳(chuan)感(gan)膜的顏色也從藍(lan)色逐漸變(bian)回綠(lv)色(se)或黃色(se)，表明(ming)CO₂溶於水生成碳(tan)酸，導致pH值(zhi)持續下(xia)降。在藻類大量(liang)死(si)亡(wang)分解(jie)的(de)後(hou)期(qi)，這(zhe)種(zhong)夜間的(de)酸化現象(xiang)會(hui)尤(you)為(wei)劇(ju)烈(lie)。
科學(xue)意義(yi)：
量(liang)化(hua)碳(tan)通量(liang)： 通過(guo)分析(xi)CO₂濃度在空間和(he)時(shi)間上(shang)的(de)變(bian)化率，可以(yi)精確(que)計(ji)算(suan)出(chu)光合作用(yong)的(de)固(gu)碳(tan)速(su)率和呼吸作用(yong)的(de)釋碳(tan)速(su)率，為(wei)評估(gu)水華(hua)的(de)碳(tan)匯(hui)/碳(tan)源效(xiao)應提供了高分辨率數(shu)據(ju)。
揭示(shi)化學(xue)環境(jing)： 動(dong)態圖像直(zhi)觀地展(zhan)示(shi)了藻(zao)華(hua)如(ru)何創造出(chu)日(ri)間高pH/夜間低pH的化(hua)學(xue)環境(jing)。這(zhe)種(zhong)劇(ju)烈(lie)的(de)pH波(bo)動對(dui)水(shui)生生物(wu)（如(ru)魚(yu)類(lei)）是(shi)巨(ju)大(da)的(de)生理脅(xie)迫，也(ye)是(shi)導致生物(wu)多(duo)樣(yang)性(xing)下降的重要(yao)原(yuan)因。
預(yu)警(jing)與(yu)管理： 通過(guo)監測pH和CO₂變化的(de)幅(fu)度和速率，可以(yi)作為(wei)水(shui)華(hua)發(fa)展(zhan)階段和(he)嚴重程(cheng)度的早期(qi)預(yu)警(jing)信號。例(li)如，異(yi)常(chang)劇(ju)烈(lie)的pH日(ri)波動(dong)可能(neng)預(yu)示(shi)著水(shui)華(hua)即(ji)將(jiang)進(jin)入(ru)壹(yi)個失(shi)控的增(zeng)長期(qi)。
經(jing)過(guo)對(dui)平(ping)面(mian)光極分析(xi)儀(yi)技(ji)術(shu)原(yuan)理(li)的(de)深度解(jie)碼(ma)和(he)對(dui)其(qi)應用(yong)的(de)實例(li)剖析(xi)，我(wo)們可以(yi)清(qing)晰地看(kan)到，這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)為(wei)環(huan)境(jing)科學(xue)帶來(lai)的，遠不止(zhi)是(shi)壹(yi)種(zhong)新的測量手段，而(er)是(shi)壹(yi)次(ci)深(shen)刻的研(yan)究範式（Research Paradigm）的革(ge)新。
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