微觀尺度下的生態密鑰：微電極開啟土壤沉積物界面過程研究新視野

土壤與沉積物作為地球生態系統的重要組成部分，其與水體間的界面過程對物質循環、能量流動以及生態系統健康有著深遠影響。沉積物 - 水界面是一個復雜的物理、化學和生物作用區域，氧氣、硫化氫等物質在此區域的交換與轉化，直接影響著水體和沉積物的理化性質、微生物活動以及生態系統功能。傳統的監測方法在研究沉積物- 水界面物質交換機制時存在一定局限性，難以實現對界面微觀尺度物質動態變化的精準測量。而微電極技術憑借其優勢，為深入研究土壤與沉積物監測領域中的界面過程提供了新的有效手段。

微電極是一種具有微米級探頭尺寸的電極，其工作原理基于物質在電極表面發生的電化學反應。當微電極插入沉積物- 水界面時，目標物質（如氧氣、硫化氫等）會在電極表面發生氧化或還原反應，產生與物質濃度相關的電信號。通過對這些電信號的測量和分析，就能夠獲取目標物質在電極附近的濃度信息。

微電極設備具有諸多顯著特點。首先，其微米級的探頭尺寸使其具有較高的空間分辨率，能夠在微觀尺度上對沉積物 - 水界面進行精確測量，捕捉到傳統方法難以檢測到的物質濃度梯度變化。其次，微電極的響應速度快，能夠實時監測物質濃度的動態變化，對于研究快速發生的界面過程至關重要。此外，微電極可以進行原位測量，避免了樣品采集和處理過程中可能引入的誤差，保證了數據的真實性和可靠性  。

微電極在土壤與沉積物監測中的應用

（一）氧氣擴散通量研究

氧氣在沉積物 - 水界面的擴散通量對微生物呼吸、有機物分解以及氧化還原反應等過程起著關鍵調控作用。微電極能夠精確測量沉積物 - 水界面不同深度處的氧氣濃度，通過構建氧氣濃度梯度曲線，結合菲克擴散定律，可準確計算出氧氣的擴散通量。研究發現，在富營養化湖泊的沉積物 - 水界面，由于藻類大量繁殖和有機物積累，氧氣在沉積物表層迅速消耗，形成明顯的氧氣濃度梯度，微電極測量結果顯示氧氣擴散通量在不同季節和不同區域存在顯著差異，這為深入理解湖泊生態系統中氧氣循環機制提供了重要數據支持。

（二）硫化氫擴散通量研究

硫化氫是一種具有強還原性的物質，在沉積物 - 水界面的含量和擴散通量對水體和沉積物的氧化還原狀態、重金屬遷移轉化以及水生生物生存有著重要影響。微電極可以有效地檢測沉積物 - 水界面的硫化氫濃度，研究表明，在厭氧環境下的沉積物中，硫化氫濃度較高，并且會隨著沉積物深度的增加而逐漸升高。通過微電極對硫化氫擴散通量的測量，揭示了硫化氫從沉積物向水體擴散的規律，以及其與硫酸鹽還原菌活動之間的密切關系，為評估沉積物中硫化物污染風險和制定相應的治理措施提供了科學依據。

（三）揭示界面物質交換機制

       除了氧氣和硫化氫，微電極還可以用于研究其他多種物質（如營養鹽、重金屬離子等）在沉積物 - 水界面的擴散和交換過程。通過同時測量多種物質的濃度分布和擴散通量，結合微生物群落結構分析和環境因素監測，能夠全面揭示沉積物 - 水界面復雜的物質交換機制。例如，研究發現沉積物中營養鹽的釋放與氧氣濃度、微生物活動以及沉積物粒徑等因素密切相關，微電極技術為闡明這些因素之間的相互作用關系提供了關鍵數據，有助于深入理解生態系統中物質循環的調控機制。

       微電極技術在土壤與沉積物監測領域中的界面過程研究中發揮著重要作用，通過對氧氣、硫化氫等物質擴散通量的精確測量，為揭示沉積物 - 水界面物質交換機制提供了關鍵數據和深入見解。其高空間分辨率、實時監測和原位測量等優勢，使其成為研究界面微觀過程的有力工具。智感環境是為數較少能夠實現微電極系統開發和商業化推廣的公司，并創新性地推出了微電極多通道分析系統，可以同步高分辨率檢測pH、DO、Eh、H?S、NO等多種指標，實現了我國在該技術領域的彎道超車。然而，目前微電極技術在實際應用中仍面臨電極制作與校準、長期穩定性以及數據處理等方面的挑戰。