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摘要：采用平面光電極技術(shù)研究了霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）擾動對湖泊沉積物~水界面二維pH值分布特征的影響。結(jié)果表明水絲蚓擾動能將沉積物~水界面處pH值的變化梯度由2.5 mm內(nèi)降低1.6個pH值單位減緩至約1 cm內(nèi)降低0.6個pH值單位，并在界面處形成約1 cm深的pH值緩沖區(qū)域。水絲蚓的造穴活動也會對沉積物的二維pH值分布產(chǎn)生影響，洞穴內(nèi)的pH值高于洞穴周邊沉積物約0.6個pH值單位。
pH值是表征水環(huán)境地球化學性質(zhì)的重要參數(shù)，在控制有機質(zhì)的礦化、內(nèi)源污染物的釋放、營養(yǎng)鹽的循環(huán)等過程中具有重要作用。湖泊沉積物具有非常顯著的空間異質(zhì)性，在沉積物界面發(fā)生的各種生物、物理、化學反應(yīng)會導(dǎo)致pH值在微尺度呈現(xiàn)強烈的梯度變化，因此高分辨獲取pH值的分布信息及動力學變化是深入了解沉積物生物地球化學循環(huán)的關(guān)鍵。
傳統(tǒng)的pH值測定方法包括試紙法和clark玻璃電極法，這兩種方法簡便易行，適用于溶液pH值測定，很難應(yīng)用于沉積物~水界面微環(huán)境的測定。近年來，微電極法在沉積物~水界面pH值實驗中的應(yīng)用變得比較廣泛，擁有較高的準確度和精密度，但是其測量體系復(fù)雜、造價過高、電極過于脆弱的缺點限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。隨后出現(xiàn)了光纖感應(yīng)器，其主要原理是基于熒光或磷光分析原理，將對分析物敏感指示劑固定在玻璃電極尖端，通過分析物對尖端指示劑的光學性質(zhì)的改變來測定分析物的濃度。光纖傳感器可以媲美微電極，而且成本較低、操作程序快捷、穩(wěn)定性好。盡管如此，無論是微電極還是光纖感應(yīng)器，均采用單點測試，獲取批量數(shù)據(jù)或者剖面pH值數(shù)據(jù)，需要通過探頭上下移動，因此耗時且操作繁瑣。在光纖傳感器基礎(chǔ)上，平面光電極法測量pH值是應(yīng)用于生物學和醫(yī)學的一種平面測量方法，由于其具有良好的操作性以及可以測量二維平面的pH值變化被引入環(huán)境科學領(lǐng)域。
生物擾動是底棲動物影響沉積物~水界面物質(zhì)與能量交換的主要過程之一，不僅可以改變沉積物的粒徑、容重、滲透率等物理指標，也可以改變沉積物原有的生物分布、化學反應(yīng)速率等生化指標。例如Pischedda等研究表明沙蠶擾動可以增加沉積物溶解氧（DO）濃度并顯著改變沉積物中DO的分布特征。目前對于生物擾動影響沉積物~水界面pH值的研究較少，且多集中于海洋沉積物方面，淡水沉積物方面的研究有限。沈萬斌等研究了顫蚓擾動對沉積物~水界面pH值的影響，指出顫蚓擾動對沉積物中pH值時空變化的影響較小而對上覆水的影響較大，但是作者未能明確地給出顫蚓對沉積物~水界面pH值影響能力、影響范圍的大小?；舾λz蚓（Limnodrilushoffmeisteri）是富營養(yǎng)化湖泊中大量出現(xiàn)的底棲動物，缺氧條件下依然能夠存活?；舾λz蚓在太湖分布廣泛，在重污染區(qū)域沉積物中的密度可達25120 ind./m2.本研究擬利用平面光電極技術(shù)，二維、高分辨地探討霍甫水絲蚓擾動對沉積物~水界面的pH值分布特征的影響，研究結(jié)果為闡明湖泊的內(nèi)源污染和有機物的礦化等過程提供重要科學參考。
1材料與方法
1.1平面光電極原理
平面光電極的基本原理是基于特定熒光染料與不同濃度的待測物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，熒光物質(zhì)的強度或者壽命發(fā)生改變，利用熒光強度或者壽命改變的量來定量反映待測物質(zhì)的濃度。將熒光染料制成平面?zhèn)鞲心ず螅ㄟ^采集和處理平面?zhèn)鞲心さ膱D片，可以得到待測物質(zhì)在二維尺度上的濃度變化圖像。激發(fā)光源是發(fā)出特定波長的光來激發(fā)平面?zhèn)鞲心?，平面?zhèn)鞲心な芗ぐl(fā)光照射后產(chǎn)生發(fā)射光，利用照相機作為圖像采集器采集發(fā)射光的二維數(shù)據(jù)并以圖片形式保存，最后利用軟件將圖片處理成為待測物質(zhì)濃度的二維圖像。
1.2平面光電極材料
選取8-羥基芘~1,3,6-三磺酸三鈉鹽（HPTS）染料作為pH值的響應(yīng)染料，HPTS是一種常用的pH值熒光指示染料，具有高量子產(chǎn)率、較大的stocks位移、良好的水溶性、較快的響應(yīng)時間（<120 s）以及對生物無毒害作用等優(yōu)良特點。該染料對pH值的靈敏響應(yīng)范圍在5.5——8.5之間，淡水湖泊水體和沉積物的pH值與該染料的pH值響應(yīng)范圍契合，因此選擇HPTS作為本實驗的pH值熒光染料。平面?zhèn)鞲心さ闹谱鲄⒖糧hu等的方法，簡述如下：HPTS染料經(jīng)過與五氯化磷的加成反應(yīng)，其分子中被加入磺?；鶊F，形成分子團A.將碳碳雙鍵負載至平面基材（聚酯薄膜）表面。在過硫酸銨（APS）和TEMED的催化作用下，染料分子團A與碳碳雙鍵加成，被固定在平面基材表面，制成熒光染料均勻分布、總厚度約150μm（含聚酯薄膜130μm）的平面感應(yīng)薄膜。
