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平面光极案例:蓝藻分解过程中沉积物水界面DO的高分辨变化机制

更新时间:2024-05-24   点击次数:60次

本次为您分享一篇由湖南文理学院团队在《Journal of Cleaner Production》上发表的一篇学术论文"High-resolution diurnal variation mechanism of oxygen and acid environments at the water–sediment interface during cyanobacterial decomposition"。主要研究了在蓝藻分解期间,水-沉积物界面(SWI)上溶解氧(DO)和pH值的高分辨率日变化机制。

研究方法:

  • 1. 使用平面光极(PO)系统,在实验室微宇宙界面获取DO/pH的动态二维(2D)图像。

  • 2. 研究了SWI处DO/pH的底质梯度和日变化,以及它们如何受藻类光合作用/呼吸作用和迁移行为的共同调节。

主要发现:

  • 在藻华分解的不同阶段,SWI处的DO/pH显示出日变化特征。

  • 白天DO/pH的增加源于藻类光合作用导致的O2丰富和碳酸盐水解,以补偿CO2饱和度的降低。

  • 夜间DO/pH的减少是由于O2耗尽和H+释放,因为藻类呼吸作用导致水体CO2含量增加。

  • 当光合作用和呼吸作用受到抑制或不顺畅时,DO/pH的增加有限且不确定。

  • 沉积物并不无氧,DO/pH可渗透至-20 mm甚至界面底部(-40 mm)。

  • 沉积物作为碱性环境的储库,对水体富营养化构成潜在风险。


在本文中,平面光极(Planar Optode, PO)系统被应用于监测和分析水-沉积物界面(SWI)处溶解氧(DO)和pH值的高分辨率日变化。以下是平面光极在本文中的具体用途:

1. 动态二维成像:利用平面光极系统获取SWI处DO和pH的动态二维(2D)图像,这有助于理解藻华分解过程中的生物地球化学过程。

2. 高时空分辨率:通过平面光极技术,研究者能够以亚毫米到毫米级的空间分辨率和毫秒级的时间分辨率监测DO和pH的变化。

3. 实验室微宇宙模拟:在实验室条件下模拟自然水体环境,使用平面光极系统在控制条件下监测SWI的化学特性。

4. 日变化特性分析:研究SWI处DO和pH的日变化特性,揭示不同藻华分解阶段的特定模式。

5. 藻类光合作用和呼吸作用研究:通过监测DO和pH的变化,研究藻类光合作用和呼吸作用如何影响SWI处的化学环境。

6. 沉积物中氧气和pH的穿透:分析沉积物中氧气和pH的垂直梯度,了解藻类迁移行为如何影响沉积物中的氧气和pH分布。

7. 富营养化风险评估:通过监测沉积物作为碱性环境的储库,评估水体富营养化的潜在风险。

8. 数据记录和分析:使用平面光极系统记录的数据,通过专业软件进行图像处理和数据分析,以获得有关DO和pH变化的详细信息。

9. 环境行为和碳循环研究:利用高分辨率的监测数据,研究环境中的CO2行为和碳循环机制。

10. 藻华控制策略:基于对DO和pH变化的监测,提出有效的藻华控制策略,如遮光和注入惰性气体来调节水体中的DO饱和度和pH值。


平面光极技术的应用为理解藻华分解过程中SWI处的复杂化学动态提供了一种强有力的工具,有助于开发新的藻类控制技术和富营养化管理方案。智感环境团队基于平面光极技术开发了封闭式平面光极设备,并成功将其应用于沉积物-水微界面、水生动植物和土壤植物根际环境的研究。这些设备具备以下特点:

1. 实时、快速地获取区域DO/pH/CO2的分布。

2. 设备自带封闭式箱体,满足测定所需的暗室条件。

3. 设备与软件配套使用,可集成校准、获取图像、处理图像于一体。

4. 非侵入性成像测量,不破坏原生环境。

5. 配备高像素CMOS相机,实现时间分辨率毫秒级,空间分辨率亚毫米级。

此外,还有便携式平面光极检测仪PO1100,它小巧轻便、便于移动和携带,同样能够实时、快速地获取区域O2/pH/CO2的分布。使用前,荧光传感膜需要标定并绘制标准曲线,工作环境和存储环境对温度和湿度有一定要求。