平面光極案例：藍藻分解過程中沉積物水界面DO的高分辨變化機制

本次為您分享一篇由湖南文理學院團隊在《Journal of Cleaner Production》上發表的一篇學術論文"High-resolution diurnal variation mechanism of oxygen and acid environments at the water–sediment interface during cyanobacterial decomposition"。主要研究了在藍藻分解期間，水-沉積物界面（SWI）上溶解氧（DO）和pH值的高分辨率日變化機制。

研究方法：

• 1. 使用平面光極（PO）系統，在實驗室微宇宙界面獲取DO/pH的動態二維（2D）圖像。

• 2. 研究了SWI處DO/pH的底質梯度和日變化，以及它們如何受藻類光合作用/呼吸作用和遷移行為的共同調節。

主要發現：

• 在藻華分解的不同階段，SWI處的DO/pH顯示出日變化特征。

• 白天DO/pH的增加源于藻類光合作用導致的O2豐富和碳酸鹽水解，以補償CO2飽和度的降低。

• 夜間DO/pH的減少是由于O2耗盡和H+釋放，因為藻類呼吸作用導致水體CO2含量增加。

• 當光合作用和呼吸作用受到抑制或不順暢時，DO/pH的增加有限且不確定。

• 沉積物并不無氧，DO/pH可滲透至-20 mm甚至界面底部（-40 mm）。

• 沉積物作為堿性環境的儲庫，對水體富營養化構成潛在風險。

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在本文中，平面光極（Planar Optode, PO）系統被應用于監測和分析水-沉積物界面（SWI）處溶解氧（DO）和pH值的高分辨率日變化。以下是平面光極在本文中的具體用途：

1. 動態二維成像：利用平面光極系統獲取SWI處DO和pH的動態二維（2D）圖像，這有助于理解藻華分解過程中的生物地球化學過程。

2. 高時空分辨率：通過平面光極技術，研究者能夠以亞毫米到毫米級的空間分辨率和毫秒級的時間分辨率監測DO和pH的變化。

3. 實驗室微宇宙模擬：在實驗室條件下模擬自然水體環境，使用平面光極系統在控制條件下監測SWI的化學特性。

4. 日變化特性分析：研究SWI處DO和pH的日變化特性，揭示不同藻華分解階段的特定模式。

5. 藻類光合作用和呼吸作用研究：通過監測DO和pH的變化，研究藻類光合作用和呼吸作用如何影響SWI處的化學環境。

6. 沉積物中氧氣和pH的穿透：分析沉積物中氧氣和pH的垂直梯度，了解藻類遷移行為如何影響沉積物中的氧氣和pH分布。

7. 富營養化風險評估：通過監測沉積物作為堿性環境的儲庫，評估水體富營養化的潛在風險。

8. 數據記錄和分析：使用平面光極系統記錄的數據，通過專業軟件進行圖像處理和數據分析，以獲得有關DO和pH變化的詳細信息。

9. 環境行為和碳循環研究：利用高分辨率的監測數據，研究環境中的CO2行為和碳循環機制。

10. 藻華控制策略：基于對DO和pH變化的監測，提出有效的藻華控制策略，如遮光和注入惰性氣體來調節水體中的DO飽和度和pH值。

平面光極技術的應用為理解藻華分解過程中SWI處的復雜化學動態提供了一種強有力的工具，有助于開發新的藻類控制技術和富營養化管理方案。智感環境團隊基于平面光極技術開發了封閉式平面光極設備，并成功將其應用于沉積物-水微界面、水生動植物和土壤植物根際環境的研究。這些設備具備以下特點：

1. 實時、快速地獲取區域DO/pH/CO₂的分布。

2. 設備自帶封閉式箱體，滿足測定所需的暗室條件。

3. 設備與軟件配套使用，可集成校準、獲取圖像、處理圖像于一體。

4. 非侵入性成像測量，不破壞原生環境。

5. 配備高像素CMOS相機，實現時間分辨率毫秒級，空間分辨率亞毫米級。

此外，還有便攜式平面光極檢測儀PO1100，它小巧輕便、便于移動和攜帶，同樣能夠實時、快速地獲取區域O2/pH/CO2的分布。使用前，熒光傳感膜需要標定并繪制標準曲線，工作環境和存儲環境對溫度和濕度有一定要求。