在物(wu)質循(xun)環(huan)和(he)生物(wu)代謝(xie)的關鍵場(chang)所——環(huan)境(jing)微區中(zhong)，pH、壹(yi)氧(yang)化氮（NO）、溶解(jie)氧（DO）、氧(yang)化還原電(dian)位(wei)（Eh）、硫(liu)化氫(qing)（H₂S）這幾個參(can)數(shu)的動態(tai)相互作(zuo)用(yong)，對(dui)碳(tan)氮硫(liu)循環(huan)以(yi)及(ji)汙(wu)染(ran)物(wu)轉化等重(zhong)要過(guo)程(cheng)起著決定(ding)性(xing)作(zuo)用(yong)。以(yi)往的監測(ce)方(fang)式(shi)，要麽(me)是對(dui)單壹(yi)參(can)數(shu)進行分步(bu)測(ce)量(liang)，要麽(me)是先采集(ji)樣品(pin)再進行離(li)線分析(xi)，這樣不(bu)僅很難(nan)捕捉(zhuo)到(dao)參(can)數之(zhi)間瞬(shun)間(jian)的關聯(lian)情(qing)況，還容(rong)易因(yin)為時(shi)間(jian)和(he)空間上(shang)的偏(pian)差(cha)，丟(diu)失(shi)微觀層面(mian)的動態(tai)信息。不過(guo)，微電(dian)極(ji)分析(xi)系(xi)統的多(duo)參數(shu)同步(bu)監測方(fang)案(an)憑(ping)借(jie)微型(xing)化探(tan)測(ce)、實時(shi)信號(hao)耦合(he)以(yi)及(ji)原(yuan)位(wei)數(shu)據采(cai)集(ji)等優(you)勢(shi)，為環(huan)境(jing)微區監測(ce)帶(dai)來了全新(xin)的可能(neng)。
微電(dian)極(ji)同(tong)步監測(ce)方(fang)案(an)能(neng)夠(gou)實現(xian)，關鍵在(zai)於“特(te)異性(xing)探(tan)測(ce)"與(yu)“集(ji)成(cheng)化設(she)計(ji)"的結合(he)。對(dui)於pH、NO、DO、Eh、H₂S這些(xie)不(bu)同(tong)的參數(shu)，需要配備專(zhuan)門(men)的微型(xing)電(dian)極(ji)。pH微電(dian)極(ji)依(yi)靠玻(bo)璃敏感(gan)膜(mo)或者(zhe)固態離(li)子(zi)選擇(ze)性(xing)材(cai)料(liao)，通(tong)過(guo)電位(wei)的變化來反(fan)映(ying)H⁺濃度(du)，響應速(su)度(du)很快(kuai)，不(bu)到1秒(miao)；NO微電(dian)極(ji)采(cai)用貴金屬修飾(shi)的電極(ji)，借助(zhu)NO的電化學氧(yang)化反(fan)應(ying)，將其(qi)轉化為電(dian)流(liu)信號(hao)，檢測(ce)下限(xian)可達(da)到nmol級(ji)別；DO微電(dian)極(ji)利(li)用氧分子(zi)對熒光(guang)的猝(cu)滅效應(ying)或(huo)者(zhe)Clark電(dian)極原理，能(neng)在微米(mi)級(ji)的空間裏測定(ding)氧(yang)濃(nong)度；Eh微電(dian)極(ji)以(yi)鉑絲作(zuo)為感(gan)應(ying)極，通(tong)過(guo)和參(can)比電極(ji)之(zhi)間的電位(wei)差(cha)，來體(ti)現(xian)環(huan)境(jing)的氧化還原狀態；H₂S微電(dian)極(ji)則通(tong)過(guo)硫化物(wu)離(li)子(zi)選擇(ze)性(xing)滲(shen)透(tou)膜(mo)與電(dian)極的反應(ying)，排除OH⁻、CO₃²⁻等幹(gan)擾(rao)離(li)子(zi)的影響。
當把(ba)這些(xie)微電(dian)極(ji)整合(he)到(dao)同(tong)壹(yi)個(ge)探(tan)測(ce)模(mo)塊時(shi)，有兩(liang)個重(zhong)要問題需(xu)要解決。壹(yi)是空間兼容(rong)性，運(yun)用精(jing)密封裝技(ji)術，把5支微電(dian)極(ji)的敏感(gan)端(duan)整合(he)在(zai)直(zhi)徑(jing)小(xiao)於200微米(mi)的探(tan)頭(tou)裏(li)，保證能(neng)夠(gou)插(cha)入生物(wu)膜(mo)、沈(chen)積物(wu)孔隙等微區，且不(bu)會(hui)破壞其(qi)原有的結構(gou)。二(er)是信號(hao)抗(kang)幹(gan)擾(rao)，采(cai)用(yong)多(duo)通(tong)道(dao)獨(du)立(li)放大(da)電路(lu)和濾波算法(fa)，防(fang)止(zhi)NO的電化學信號(hao)與DO的熒光(guang)信號(hao)相互幹(gan)擾(rao)，同(tong)時(shi)借(jie)助(zhu)溫度補(bu)償模(mo)塊，抵(di)消環(huan)境(jing)溫度波動對(dui)pH和(he)H₂S測定(ding)結(jie)果(guo)的影響。
壹套完整的同步(bu)監測(ce)方(fang)案(an)包含(han)硬(ying)件集(ji)成(cheng)、軟件(jian)控制(zhi)以及(ji)流(liu)程(cheng)規(gui)範三(san)個主(zhu)要部分，其(qi)目的是保證參(can)數采(cai)集(ji)的同步(bu)性、準(zhun)確(que)性(xing)和(he)穩定(ding)性(xing)。
在硬(ying)件集(ji)成(cheng)方(fang)面(mian)，系(xi)統的核(he)心(xin)是多(duo)通(tong)道(dao)微電(dian)極(ji)主(zhu)機(ji)，它(ta)連(lian)接(jie)著(zhe)探(tan)測(ce)探(tan)頭(tou)和(he)三維驅(qu)動平(ping)臺。探(tan)測(ce)探(tan)頭(tou)內部的5支微電(dian)極(ji)可以做(zuo)到“同(tong)點(dian)同(tong)步(bu)"采集(ji)，也就(jiu)是說，在(zai)同(tong)壹個(ge)微區位(wei)置(zhi)（空間偏(pian)差(cha)不(bu)超過(guo)5微米(mi)），pH、NO、DO、Eh、H₂S這幾個參(can)數(shu)的數據(ju)會(hui)在同(tong)壹(yi)時(shi)間(jian)點(dian)（時(shi)間(jian)偏(pian)差(cha)小(xiao)於10毫秒(miao)）被(bei)記錄下來，避免了傳(chuan)統分步(bu)測(ce)定(ding)時(shi)，由(you)於微區環(huan)境(jing)變化（比如生物(wu)擾(rao)動(dong)）而(er)導致(zhi)的參數(shu)關聯(lian)失(shi)真。三維(wei)驅(qu)動平(ping)臺支持“掃描(miao)式(shi)同步(bu)采集(ji)"，能(neng)夠(gou)按(an)照(zhao)預(yu)設(she)的步長沿著(zhe)垂向(xiang)或者(zhe)水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang)移動(dong)探(tan)頭(tou)，從(cong)而(er)生成(cheng)多(duo)參數(shu)的二(er)維分布(bu)圖(tu)譜(pu)。
在軟件(jian)控制(zhi)方(fang)面(mian)，專(zhuan)用的控制(zhi)軟件(jian)有三項(xiang)主要功(gong)能(neng)。其(qi)壹，同步(bu)觸發(fa)采集(ji)，通(tong)過(guo)硬(ying)件時(shi)鐘(zhong)信號(hao)控制(zhi)5個通(tong)道(dao)同(tong)時(shi)開始(shi)記(ji)錄數據；其(qi)二(er)，實時(shi)數(shu)據(ju)可視(shi)化，在(zai)采(cai)集(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)，動(dong)態(tai)展(zhan)示5個參數的數值(zhi)變化曲(qu)線以及(ji)相(xiang)關性(xing)散(san)點圖(tu)，方(fang)便(bian)及(ji)時(shi)發(fa)現(xian)異常(chang)情(qing)況；其(qi)三，自(zi)動(dong)化校(xiao)準(zhun)，軟件(jian)內置(zhi)了針(zhen)對(dui)不同參(can)數(shu)的校(xiao)準(zhun)程(cheng)序(xu)，比如利用標準(zhun)緩(huan)沖(chong)液(ye)自(zi)動(dong)完(wan)成(cheng)pH校(xiao)準(zhun)，通(tong)過(guo)零氧(yang)水(shui)和飽(bao)和(he)氧水(shui)完成(cheng)DO校(xiao)準(zhun)，確(que)保每(mei)壹批次(ci)監測前(qian)電(dian)極(ji)性(xing)能(neng)都(dou)能(neng)達(da)到標(biao)準。
該同(tong)步(bu)監測方(fang)案(an)最(zui)核(he)心(xin)的價值(zhi)，就(jiu)是打破了傳(chuan)統監(jian)測(ce)的局限(xian)，能(neng)夠(gou)直(zhi)接(jie)解(jie)析“瞬時(shi)關聯(lian)-微觀機(ji)制(zhi)"。壹方(fang)面(mian)，憑(ping)借(jie)同步性可以捕(bu)捉動(dong)態(tai)耦(ou)合(he)關系(xi)。環(huan)境(jing)微區的參數(shu)變化往往是瞬(shun)間(jian)發(fa)生的，比如生物(wu)膜(mo)光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)突然(ran)增強(qiang)時(shi)，DO濃(nong)度(du)在(zai)10秒(miao)內就(jiu)會(hui)上(shang)升5mg/L，進(jin)而(er)導致(zhi)pH升高(gao)（因(yin)為光(guang)合(he)作(zuo)用(yong)消耗(hao)了CO₂）、Eh上(shang)升（氧(yang)化環(huan)境(jing)增強(qiang)），同(tong)時(shi)NO也會(hui)因為硝(xiao)化作(zuo)用(yong)增強(qiang)而(er)同步(bu)增加(jia)。傳(chuan)統的單參(can)數(shu)監(jian)測無(wu)法記(ji)錄這種“多(duo)參數(shu)協同變化"，而(er)同步(bu)方(fang)案(an)則能(neng)完整捕捉這壹過(guo)程(cheng)，進而(er)揭示參數之(zhi)間的因果(guo)聯系(xi)。
另壹(yi)方(fang)面(mian)，依(yi)靠原(yuan)位(wei)性(xing)保障數(shu)據的真實性。該方(fang)案(an)不(bu)需(xu)要采集(ji)樣品(pin)就(jiu)能(neng)獲取(qu)數據(ju)，避免了傳(chuan)統采(cai)樣帶(dai)來的誤差(cha)。比如采集(ji)沈(chen)積物(wu)樣品(pin)後，樣品(pin)暴(bao)露在(zai)空氣中(zhong)會(hui)使DO突然(ran)升高(gao)、Eh上(shang)升，導(dao)致(zhi)H₂S被(bei)氧化，濃(nong)度(du)測量(liang)結果失(shi)真；離(li)線測定(ding)NO時(shi)，樣品(pin)在轉移(yi)過(guo)程(cheng)中(zhong)，NO會(hui)和O₂發(fa)生反應(ying)而(er)損耗(hao)。同步(bu)監測(ce)直接(jie)在(zai)原位(wei)記(ji)錄參數的本(ben)底值(zhi)，保證數(shu)據能(neng)夠(gou)真實反映(ying)微區的自(zi)然(ran)狀態。
同步(bu)監測(ce)方(fang)案(an)在(zai)多(duo)個環(huan)境(jing)微區研究(jiu)領(ling)域(yu)都(dou)發(fa)揮著(zhe)重(zhong)要作(zuo)用(yong)，為微觀機(ji)制(zhi)解析和(he)技(ji)術優化提(ti)供了關鍵的數據(ju)支持。
在湖(hu)泊沈(chen)積物(wu)氮循(xun)環(huan)研(yan)究(jiu)中(zhong)，該方(fang)案(an)揭(jie)示了反硝(xiao)化過(guo)程(cheng)中(zhong)參(can)數(shu)的耦合(he)規(gui)律(lv)。當(dang)DO垂向(xiang)濃度(du)從(cong)2mg/L降(jiang)至(zhi)0.5mg/L（垂向(xiang)距離(li)僅200微米(mi)）時(shi)，Eh從(cong)+150mV降(jiang)至(zhi)-50mV，這會(hui)促使(shi)反(fan)硝(xiao)化菌(jun)活性(xing)增強(qiang)，NO作(zuo)為中(zhong)間(jian)產(chan)物(wu)會(hui)先上(shang)升後下降(jiang)（峰(feng)值(zhi)出(chu)現(xian)在(zai)DO=0.3mg/L、Eh=-20mV時(shi)），而(er)pH則會(hui)因為反(fan)應(ying)生成(cheng)OH⁻而(er)同步(bu)上(shang)升0.3-0.5個(ge)單位(wei)。這壹發(fa)現(xian)為理(li)解(jie)氮素(su)流(liu)失(shi)的微觀路(lu)徑(jing)提(ti)供了直接(jie)的證據(ju)。
在濕地生物(wu)膜(mo)硫毒性研究中(zhong)，同(tong)步(bu)監(jian)測(ce)發(fa)現(xian)H₂S的毒性效應(ying)和(he)pH密切相關。當(dang)pH＜6.5時(shi)，H₂S主(zhu)要以遊(you)離(li)態（H₂S氣(qi)體(ti)）存(cun)在，即使濃度只(zhi)有0.1mg/L，也會(hui)抑(yi)制(zhi)微生物(wu)活性(xing)；而(er)當pH＞7.5時(shi)，H₂S主(zhu)要以HS⁻形(xing)式(shi)存(cun)在，濃度達(da)到0.5mg/L時(shi)，也沒有明顯的毒性。通(tong)過(guo)同步(bu)監(jian)測(ce)，這壹關聯(lian)得(de)到了量化，為濕地生態修(xiu)復中(zhong)pH調(tiao)控策(ce)略的制定(ding)提(ti)供了依據(ju)。
在廢(fei)水(shui)生物(wu)處(chu)理優(you)化中(zhong)，該方(fang)案(an)被(bei)用來指(zhi)導生物(wu)膜(mo)反應(ying)器的運行(xing)。同步(bu)監(jian)測(ce)顯示，當DO垂向(xiang)梯(ti)度維(wei)持在(zai)0.5-1mg/L/mm、Eh在+100至(zhi)+200mV時(shi)，pH穩(wen)定(ding)在(zai)7.0-7.5，此(ci)時(shi)NO₃⁻的轉化高(gao)。根(gen)據這壹結果調(tiao)整曝氣強(qiang)度(du)後，處(chu)理效率(lv)提(ti)高了20%，能(neng)耗(hao)降(jiang)低(di)了15%。
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