（壹(yi)）在河流沈積(ji)物(wu) - 水界面(mian)研究(jiu)中(zhong)的(de)應用(yong)
河流沈積(ji)物(wu) - 水界面(mian)是壹(yi)個極(ji)為復(fu)雜(za)且活(huo)躍的(de)生(sheng)態(tai)微區(qu)，在(zai)這(zhe)個界(jie)面(mian)上(shang)，物(wu)質交換和生(sheng)物(wu)地球(qiu)化學(xue)過(guo)程頻(pin)繁發生(sheng)，對(dui)河流生(sheng)態(tai)系統(tong)的(de)健(jian)康(kang)和(he)功(gong)能起(qi)著關鍵(jian)作(zuo)用(yong)。通(tong)過(guo)多通(tong)道(dao)同(tong)步(bu)監(jian)測(ce)技術，能(neng)夠(gou)實時(shi)、精(jing)準(zhun)地獲(huo)取該(gai)界(jie)面(mian)處 DO 的(de)垂(chui)直梯(ti)度、Eh 的(de)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)分(fen)層、H₂S 的(de)釋(shi)放(fang)通(tong)量(liang)與(yu) NO 的(de)硝(xiao)化(hua) - 反(fan)硝化耦(ou)合(he)過(guo)程等多維度信(xin)息。
在有氧(yang)的(de)表層水體(ti)中(zhong)，DO 含(han)量(liang)相(xiang)對(dui)較高，隨(sui)著深度增(zeng)加(jia)，進入沈積(ji)物(wu)層，由(you)於微生(sheng)物(wu)對有(you)機(ji)質的(de)分(fen)解消(xiao)耗(hao)氧(yang)氣(qi)，DO 濃(nong)度(du)逐(zhu)漸(jian)降低，形(xing)成(cheng)明顯(xian)的(de)垂(chui)直梯(ti)度。而(er) Eh 作為反(fan)映(ying)體(ti)系氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)狀態(tai)的(de)重(zhong)要指(zhi)標，在(zai)沈積(ji)物(wu) - 水界面(mian)也呈現(xian)出(chu)明顯(xian)的(de)分(fen)層現(xian)象。表層水體(ti)處於相(xiang)對(dui)氧(yang)化(hua)的(de)環(huan)境(jing)，Eh 值(zhi)較高；隨(sui)著向(xiang)沈積(ji)物(wu)深層深入，逐(zhu)漸(jian)轉變(bian)為(wei)厭氧(yang)環(huan)境(jing)，Eh 值(zhi)降低 。這(zhe)種氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)分(fen)層對(dui)汙(wu)染(ran)物(wu)的(de)形(xing)態(tai)轉化(hua)和遷移(yi)具有(you)重要影(ying)響，例如重(zhong)金(jin)屬(shu)在不(bu)同(tong)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)條件(jian)下的(de)溶(rong)解度和(he)毒性會發生(sheng)顯(xian)著(zhu)變(bian)化(hua)。
H₂S 作為厭氧(yang)代(dai)謝的(de)終(zhong)產(chan)物(wu)，其釋(shi)放(fang)通(tong)量(liang)與(yu)硫(liu)循(xun)環(huan)密(mi)切相(xiang)關。在(zai)沈積(ji)物(wu)深層的(de)厭氧(yang)環(huan)境(jing)中(zhong)，硫(liu)酸(suan)鹽還(hai)原(yuan)菌利(li)用(yong)硫(liu)酸(suan)鹽作為(wei)電(dian)子受體(ti)，將有機(ji)物(wu)氧(yang)化(hua)，產(chan)生(sheng) H₂S。當(dang) H₂S 向(xiang)上(shang)擴散至(zhi)沈積(ji)物(wu) - 水界面(mian)時，會與水體(ti)中(zhong)的(de)物(wu)質發生(sheng)反(fan)應，影(ying)響界面(mian)處的(de)化(hua)學(xue)平(ping)衡和生(sheng)物(wu)過(guo)程。通(tong)過(guo)多通(tong)道(dao)同(tong)步(bu)監(jian)測(ce) H₂S 的(de)釋(shi)放(fang)通(tong)量(liang)，可以深入了(le)解硫(liu)循(xun)環(huan)在(zai)該(gai)界(jie)面(mian)的(de)動(dong)態(tai)變(bian)化(hua)。
NO 在氮循環(huan)中(zhong)參(can)與關鍵(jian)步(bu)驟，其(qi)濃(nong)度(du)梯(ti)度影(ying)響反硝化(hua)作(zuo)用(yong)與(yu)氮素利(li)用(yong)效(xiao)率(lv)。在沈積(ji)物(wu) - 水界面(mian)，硝化(hua) - 反硝化耦合(he)過(guo)程同(tong)時存(cun)在。硝化(hua)作用(yong)是在有(you)氧(yang)條件(jian)下，氨氮被(bei)氧(yang)化(hua)為(wei)亞硝酸(suan)鹽和硝(xiao)酸(suan)鹽的(de)過(guo)程；反(fan)硝化(hua)作用(yong)則(ze)是在厭氧(yang)或(huo)微氧(yang)條件(jian)下，硝酸(suan)鹽被(bei)還(hai)原(yuan)為(wei)氮氣的(de)過(guo)程。這(zhe)兩(liang)個(ge)過(guo)程相(xiang)互關聯(lian)，且(qie)與 DO、Eh 等環境(jing)參(can)數密(mi)切相(xiang)關。通(tong)過(guo)同步(bu)監(jian)測(ce) NO 的(de)硝(xiao)化(hua) - 反(fan)硝化耦(ou)合(he)過(guo)程，結(jie)合(he) DO 和(he) Eh 的(de)變(bian)化(hua)，可以揭示(shi)微生(sheng)物(wu)如何在不(bu)同(tong)環(huan)境(jing)條件(jian)下驅動(dong)硫(liu) - 氮循環(huan)的(de)耦(ou)合(he)機(ji)制。
這(zhe)對於理解河流生(sheng)態(tai)系統(tong)的(de)物(wu)質循環(huan)和(he)能(neng)量(liang)流(liu)動(dong)具(ju)有(you)重要意(yi)義。準(zhun)確掌(zhang)握(wo)這(zhe)些過(guo)程，有(you)助(zhu)於評(ping)估河流生(sheng)態(tai)系統(tong)的(de)健(jian)康(kang)狀況(kuang)，預(yu)測(ce)河流對環境(jing)變(bian)化(hua)的(de)響(xiang)應，為(wei)河流生(sheng)態(tai)保(bao)護和修復(fu)提供科(ke)學依(yi)據。例如，當(dang)了(le)解到某河流沈積(ji)物(wu) - 水界面(mian)的(de)硫(liu) - 氮循環(huan)出現異常(chang)時(shi)，可以針(zhen)對(dui)性(xing)地采取(qu)措(cuo)施(shi)，如調(tiao)整(zheng)水體(ti)的(de)溶(rong)解氧(yang)含(han)量(liang)、控(kong)制汙(wu)染(ran)物(wu)排放(fang)等，以恢復(fu)生(sheng)態(tai)系統(tong)的(de)平(ping)衡(heng)。
（二）在(zai)土(tu)壤微生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)性能評估中(zhong)的(de)應用(yong)
土壤微生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)（SMFC）是壹(yi)種利(li)用(yong)土(tu)壤中(zhong)的(de)微生(sheng)物(wu)將有(you)機(ji)物(wu)的(de)化(hua)學(xue)能(neng)直接轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)的(de)裝(zhuang)置(zhi)，具(ju)有原料(liao)來源廣(guang)泛、環境(jing)友(you)好等優(you)點，在能(neng)源領域和環(huan)境(jing)領域都(dou)展(zhan)現出(chu)巨大(da)的(de)應用(yong)潛力(li)。然(ran)而(er)，其能量(liang)轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率(lv)的(de)提(ti)升(sheng)壹(yi)直是研究(jiu)的(de)重(zhong)點和難點。
通(tong)過(guo)多通(tong)道(dao)同(tong)步(bu)監(jian)測(ce)技術，實(shi)時(shi)追蹤電(dian)極(ji)表面(mian) pH 變(bian)化(hua)、Eh 波(bo)動與 DO 消(xiao)耗(hao)，能(neng)夠(gou)深入了(le)解電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)的(de)電(dian)化(hua)學反應過(guo)程，為(wei)優(you)化電(dian)子傳遞(di)路(lu)徑與能(neng)量(liang)回收效(xiao)率(lv)提供關鍵(jian)依(yi)據。在(zai) SMFC 運(yun)行(xing)過(guo)程中(zhong)，微生(sheng)物(wu)在陽(yang)極表面(mian)將有(you)機(ji)物(wu)氧(yang)化(hua)分(fen)解，產生(sheng)電(dian)子、質子和二氧(yang)化(hua)碳(tan)。電(dian)子通(tong)過(guo)外電(dian)路(lu)流向(xiang)陰極，質子則(ze)通(tong)過(guo)電(dian)解質遷移(yi)到陰極。在這(zhe)個過(guo)程中(zhong)，電(dian)極(ji)表面(mian)的(de) pH 值(zhi)會發生(sheng)變(bian)化(hua)。微生(sheng)物(wu)代謝產生(sheng)的(de)質子會使(shi)陽(yang)極(ji)附近的(de) pH 值(zhi)降低，而(er)陰極上(shang)的(de)氧(yang)氣(qi)還(hai)原(yuan)反(fan)應會消(xiao)耗(hao)質子，使(shi)陰極附近的(de) pH 值(zhi)升高。這(zhe)種 pH 值(zhi)的(de)變(bian)化(hua)會影(ying)響微生(sheng)物(wu)的(de)活(huo)性和(he)酶的(de)催(cui)化(hua)效(xiao)率(lv)，進而(er)影(ying)響電(dian)池(chi)的(de)性(xing)能(neng)。通(tong)過(guo)實時(shi)監(jian)測(ce) pH 變(bian)化(hua)，可以及時調(tiao)整(zheng)電(dian)池(chi)的(de)運(yun)行(xing)條件(jian)，如添(tian)加(jia)緩沖(chong)劑來維持(chi)合(he)適(shi)的(de) pH 值(zhi)，以提高微生(sheng)物(wu)的(de)活(huo)性和(he)能量(liang)轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率(lv)。
Eh 波動反(fan)映(ying)了(le)電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)狀態(tai)的(de)變(bian)化(hua)。在(zai)陽極，微生(sheng)物(wu)的(de)代(dai)謝活(huo)動使(shi)陽(yang)極(ji)處(chu)於相(xiang)對(dui)還(hai)原(yuan)的(de)狀態(tai)，Eh 值(zhi)較低；在陰極，氧(yang)氣(qi)的(de)還(hai)原(yuan)反(fan)應使(shi)陰極處於相(xiang)對(dui)氧(yang)化(hua)的(de)狀態(tai)，Eh 值(zhi)較高。合(he)適(shi)的(de) Eh 差(cha)值(zhi)是保(bao)證(zheng)電(dian)子順利(li)傳遞(di)的(de)關鍵(jian)。如果(guo) Eh 波(bo)動(dong)異常(chang)，可能意(yi)味著電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)的(de)反(fan)應出(chu)現問(wen)題(ti)，如微生(sheng)物(wu)活(huo)性降(jiang)低、電(dian)極(ji)材料(liao)性能(neng)下降等。通(tong)過(guo)監(jian)測(ce) Eh 波動，可以及時發現(xian)這(zhe)些問(wen)題(ti)，並(bing)采(cai)取相(xiang)應的(de)措(cuo)施(shi)進(jin)行(xing)優(you)化，如更(geng)換電(dian)極(ji)材料(liao)、調整(zheng)微生(sheng)物(wu)群落(luo)結(jie)構等。
DO 消(xiao)耗(hao)也(ye)是影(ying)響 SMFC 性能的(de)重(zhong)要因(yin)素。在(zai)陰極，氧(yang)氣(qi)作(zuo)為(wei)電(dian)子受體(ti)參與還(hai)原(yuan)反(fan)應，DO 的(de)濃(nong)度(du)直(zhi)接影(ying)響反應速(su)率(lv)。如果(guo) DO 供應不(bu)足(zu)，會導致陰極反應受(shou)限，降低電(dian)池(chi)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)。通(tong)過(guo)實時(shi)監(jian)測(ce) DO 消(xiao)耗(hao)，可以優(you)化陰極的(de)設(she)計(ji)和(he)運行(xing)條件(jian)，如增(zeng)加(jia)氧(yang)氣(qi)的(de)供應方(fang)式(shi)、改(gai)進(jin)電(dian)極(ji)的(de)透氣性(xing)等，以提(ti)高 DO 的(de)利(li)用(yong)率(lv)，從(cong)而(er)提升電(dian)池(chi)的(de)能(neng)量(liang)回收效(xiao)率(lv)。
深入了(le)解這(zhe)些參數(shu)的(de)變(bian)化(hua)規(gui)律，對土壤微生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)發展(zhan)具(ju)有重要意(yi)義。有(you)助(zhu)於開(kai)發更(geng)高效(xiao)的(de)電(dian)池(chi)結構和(he)運行(xing)策(ce)略，推動(dong) SMFC 從(cong)實(shi)驗(yan)室(shi)研究(jiu)走向(xiang)實際應用(yong)，為(wei)解決能源短(duan)缺(que)和環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)問(wen)題(ti)提(ti)供新(xin)的(de)途(tu)徑(jing)。
（三(san)）在(zai)汙(wu)染(ran)場(chang)地修復(fu)中(zhong)的(de)應用(yong)
在汙(wu)染(ran)場(chang)地修復(fu)過(guo)程中(zhong)，準(zhun)確了(le)解汙(wu)染(ran)物(wu)的(de)分(fen)布和(he)轉化情(qing)況(kuang)是制定(ding)有效(xiao)修(xiu)復(fu)方(fang)案的(de)關鍵(jian)。多(duo)通(tong)道(dao)同(tong)步(bu)監(jian)測(ce)技術通(tong)過(guo)對多(duo)種參(can)數的(de)關聯(lian)分(fen)析，能夠精(jing)準(zhun)定位(wei)重金(jin)屬(shu)還(hai)原(yuan)區(qu)、有(you)機(ji)汙(wu)染(ran)物(wu)降解熱點及硫(liu)化(hua)物(wu)氧(yang)化(hua)風(feng)險(xian)區(qu)，為(wei)修(xiu)復(fu)方(fang)案提(ti)供量(liang)化(hua)依(yi)據。
對於重(zhong)金屬(shu)汙(wu)染(ran)場(chang)地，不(bu)同(tong)的(de)重(zhong)金(jin)屬(shu)在不(bu)同(tong)的(de)環(huan)境(jing)條件(jian)下具有(you)不(bu)同(tong)的(de)遷(qian)移(yi)性和(he)毒性。通(tong)過(guo)同步(bu)監(jian)測(ce) pH、Eh 等參數(shu)，可以判(pan)斷(duan)重(zhong)金屬(shu)的(de)存(cun)在形(xing)態(tai)和穩(wen)定(ding)性。在(zai)酸(suan)性條件(jian)下，壹(yi)些重金(jin)屬(shu)如鎘(ge)、鉛(qian)等的(de)溶(rong)解度會增(zeng)加(jia)，遷移(yi)性增(zeng)強(qiang)，毒(du)性也相(xiang)應增(zeng)大(da)；而(er)在堿性(xing)條件(jian)下，重金(jin)屬(shu)可能會形(xing)成(cheng)沈澱，降低其遷移(yi)性。Eh 則(ze)影(ying)響重金屬(shu)的(de)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)狀態(tai)，例如，在(zai)還(hai)原(yuan)條件(jian)下，壹(yi)些重金(jin)屬(shu)如六(liu)價鉻(ge)會被(bei)還(hai)原(yuan)為(wei)三(san)價鉻(ge)，毒(du)性(xing)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低。通(tong)過(guo)多通(tong)道(dao)同(tong)步(bu)監(jian)測(ce)，確定重(zhong)金屬(shu)還(hai)原(yuan)區(qu)的(de)位(wei)置(zhi)和(he)範圍(wei)，就可以針(zhen)對(dui)性(xing)地采取(qu)還(hai)原(yuan)修(xiu)復(fu)措施(shi)，如添(tian)加(jia)還(hai)原(yuan)劑，將高價態(tai)的(de)重(zhong)金(jin)屬(shu)還(hai)原(yuan)為(wei)低價態(tai)，降低其毒性(xing)和(he)遷移(yi)性。
在有機(ji)汙(wu)染(ran)物(wu)汙(wu)染(ran)場(chang)地，微生(sheng)物(wu)降解是主要的(de)修(xiu)復(fu)途徑(jing)之壹(yi)。通(tong)過(guo)監(jian)測(ce) DO、pH、NO 等參數(shu)，可以判(pan)斷(duan)微生(sheng)物(wu)的(de)活(huo)性和(he)降解過(guo)程的(de)進(jin)行(xing)情(qing)況(kuang)。DO 是微生(sheng)物(wu)好氧(yang)呼(hu)吸(xi)的(de)必需物(wu)質，充足的(de) DO 供應有(you)利(li)於好(hao)氧(yang)微生(sheng)物(wu)對有(you)機(ji)汙(wu)染(ran)物(wu)的(de)降(jiang)解。pH 值(zhi)會影(ying)響微生(sheng)物(wu)的(de)生(sheng)長(chang)和代(dai)謝，不(bu)同(tong)的(de)微生(sheng)物(wu)對 pH 值(zhi)有不(bu)同(tong)的(de)適(shi)應範(fan)圍(wei)。NO 作為(wei)氮源或(huo)電(dian)子受體(ti)，參與微生(sheng)物(wu)的(de)代(dai)謝過(guo)程。當(dang)發現(xian)有(you)機(ji)汙(wu)染(ran)物(wu)降解熱點區(qu)域時，即(ji)微生(sheng)物(wu)活(huo)性高、降解反應劇烈的(de)區(qu)域，可以進(jin)壹(yi)步(bu)優(you)化修(xiu)復(fu)條件(jian)，如增(zeng)加(jia)氧(yang)氣(qi)供應、調(tiao)節 pH 值(zhi)、補(bu)充營養物(wu)質等，以提(ti)高有機(ji)汙(wu)染(ran)物(wu)的(de)降(jiang)解效(xiao)率(lv)。
硫(liu)化(hua)物(wu)氧(yang)化(hua)風(feng)險(xian)區(qu)的(de)定(ding)位(wei)也至(zhi)關重(zhong)要。在(zai)壹(yi)些汙(wu)染(ran)場(chang)地，可能存(cun)在大(da)量(liang)的(de)硫(liu)化(hua)物(wu)，如金(jin)屬(shu)硫(liu)化(hua)物(wu)。當環(huan)境(jing)條件(jian)發生(sheng)變(bian)化(hua)，如氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)電(dian)位(wei)升高、氧(yang)氣(qi)進(jin)入時，硫(liu)化(hua)物(wu)會被(bei)氧(yang)化(hua)，產(chan)生(sheng)酸(suan)性物(wu)質和重(zhong)金(jin)屬(shu)離子，導致二次(ci)汙(wu)染(ran)。通(tong)過(guo)同步(bu)監(jian)測(ce) H₂S、Eh 等參數(shu)，能夠(gou)及時發現(xian)硫(liu)化(hua)物(wu)氧(yang)化(hua)風(feng)險(xian)區(qu)，提(ti)前(qian)采取(qu)措(cuo)施(shi)進(jin)行(xing)防(fang)範，如控(kong)制氧(yang)氣(qi)進(jin)入、添加(jia)堿性(xing)物(wu)質中(zhong)和(he)酸(suan)性物(wu)質等。精(jing)準(zhun)定位(wei)這(zhe)些區(qu)域，對提(ti)高汙(wu)染(ran)場(chang)地修復(fu)效(xiao)果(guo)和(he)效(xiao)率(lv)具有重(zhong)要作(zuo)用(yong)。可以避(bi)免盲(mang)目(mu)修(xiu)復(fu)，減少(shao)修(xiu)復(fu)成本(ben)，提高修復(fu)的(de)針(zhen)對(dui)性(xing)和(he)有(you)效(xiao)性(xing)，從(cong)而(er)更好地實現(xian)汙(wu)染(ran)場(chang)地的(de)生(sheng)態(tai)恢復(fu)和可持(chi)續利(li)用(yong)。
智感環(huan)境(jing)多(duo)通(tong)道(dao)微電(dian)極(ji)分(fen)析系統(tong)是壹(yi)款(kuan)面(mian)向(xiang)環境(jing)科(ke)學、土(tu)壤學(xue)、植(zhi)物(wu)生(sheng)理學(xue)等領域的(de)高精(jing)尖監(jian)測(ce)設備，可靈(ling)活(huo)搭載DO、pH、Eh、H₂S、NO等2-5通(tong)道(dao)微電(dian)極(ji)，憑借微米(mi)級電(dian)極(ji)探(tan)測(ce)端、毫秒級信(xin)號響應速(su)度及微米(mi)級步(bu)進的(de)自(zi)動升(sheng)降系統(tong)，實(shi)現(xian)對(dui)水體(ti)、沈積(ji)物(wu)、土壤、植(zhi)物(wu)根(gen)際等微環境(jing)的(de)多(duo)參(can)數(shu)同步(bu)原位(wei)監(jian)測(ce)，能精(jing)準(zhun)捕捉(zhuo)各(ge)參數的(de)垂(chui)向(xiang)分(fen)布與(yu)瞬時(shi)動(dong)態(tai)變(bian)化(hua)，有(you)效(xiao)避(bi)免分(fen)次(ci)測量(liang)導(dao)致的(de)數(shu)據偏差(cha)；系統(tong)配(pei)套(tao)智能化(hua)軟件(jian)支(zhi)持(chi)數據實(shi)時(shi)繪圖、多格式(shi)導(dao)出(chu)及便(bian)捷操作，且(qie)采用(yong)無損式(shi)測(ce)量(liang)設(she)計(ji)不(bu)破壞待測介(jie)質，為解析微界面(mian)物(wu)質循環(huan)機(ji)制、評(ping)估環境(jing)修(xiu)復(fu)效(xiao)果(guo)等研究(jiu)提供全(quan)面(mian)、精(jing)準(zhun)、高效(xiao)的(de)技術支(zhi)撐(cheng)。
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