平面光極技術：監測顫蚓擾動下水環境變化的“顯微鏡”

在生態學和環境保護領域，對水體環境的實時監測與評估至關重要。尤其是當水體中存在生物擾動時，如顫蚓等底棲生物的活動，可能會引發一系列水環境的變化，包括重金屬遷移、pH值波動、溶解氧(DO)和二氧化碳分壓(pCO₂)的改變等。這些變化不僅影響水體的生態平衡，還可能對人類健康和生態安全構成威脅。因此，如何準確、實時地監測這些變化，成為了科研工作者和環境管理者面臨的重要挑戰。

在這一背景下，平面光極技術憑借其特殊的優勢，成為了監測顫蚓擾動下水環境變化的有力工具。平面光極技術，又稱平面熒光分析技術，是一種基于熒光分析原理的原位、實時監測技術。它通過將熒光指示劑固定在平面基質上，利用數字成像技術實時記錄其二維特征發射光譜，從而實現對目標物二維空間分布信息的精確測量。這種技術不僅具有靈敏度和信號選擇性，而且能夠提供多路復用功能，可以同時監測多種參數的變化。

在顫蚓擾動下水環境變化的監測中，平面光極技術展現了其特殊的優勢。首先，它能夠實時監測重金屬如銅離子(Cu²⁺)和鎘離子(Cd²⁺)在沉積物中的遷移過程。通過構建復合平面光極和與薄膜擴散梯度(DGT)結合的平面光極，可以準確地反映出顫蚓擾動對重金屬遷移的影響。例如，在長春南湖沉積物中，顫蚓的擾動作用顯著促進了Cu²⁺由上覆水向沉積物的遷移，改變了其在沉積物中的水平和垂直分布狀況。這種變化通過平面光極技術得以實時、直觀地展現，為重金屬污染的控制和治理提供了科學依據。

其次，平面光極技術還能夠實時監測顫蚓擾動下水/沉積物體系中的pH值、DO和pCO₂等微環境參數的變化。這些參數是表征自然水環境和沉積物生物地球化學特征的重要指標，也是影響重金屬遷移的重要因素。通過構建多參數平面光極系統，可以同時監測這些參數的變化，并研究它們之間的相互作用和影響。實驗結果表明，顫蚓擾動可以顯著改變水/沉積物界面附近的pH值、DO和pCO2梯度，進而影響重金屬的遷移和轉化過程。這種影響通過平面光極技術得以精確捕捉和量化，為深入理解生物擾動對水環境變化的影響機制提供了有力支持。

除了以上優勢外，平面光極技術還具有操作簡便、成本較低、可重復使用等優點。這使得它在實際應用中具有廣泛的適用性和推廣價值。例如，在環境監測站點的建設中，可以利用平面光極技術構建多參數在線監測系統，實現對水環境變化的長期、連續監測。在水污染治理項目中，可以利用平面光極技術評估治理效果，指導治理方案的優化和調整。

綜上所述，平面光極技術在監測顫蚓擾動下水環境變化方面展現出了特殊的優勢和顯著的效果。它不僅能夠實時監測重金屬遷移、pH值、DO和pCO₂等關鍵參數的變化，還能夠揭示生物擾動對水環境變化的影響機制。隨著技術的不斷發展和完善，相信平面光極技術將在生態學和環境保護領域發揮更加重要的作用。

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DO/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。