一、為何在沉積物里“插一根針"

傳統(tǒng)沉積物研究多依賴分層采樣結(jié)合離心或萃取的方式，所獲取的往往是厘米級(jí)、小時(shí)級(jí)乃至天級(jí)的“平均結(jié)果"。但地球化學(xué)反應(yīng)通常發(fā)生在亞毫米、秒級(jí)的尺度：一條缺氧紋層可能在200µm的范圍內(nèi)，氧化還原電位就從+200mV驟降至–200mV；一株藻類的根際能在幾十秒內(nèi)改變周圍環(huán)境的pH值。

微電極（microelectrode）將傳感端縮小至微米級(jí)，響應(yīng)時(shí)間縮短至秒級(jí)，如同“內(nèi)窺鏡"一般，能夠在原位記錄沉積物微環(huán)境中的化學(xué)變化，且不會(huì)對(duì)樣品造成擾動(dòng)。一套完整的沉積物微電極分析系統(tǒng)通常由五個(gè)部分組成：一是微電極陣列，可監(jiān)測(cè)pH、DO、H?S、NO、氧化還原電位等參數(shù)，其探針前端尺寸在100–500µm之間；二是配備步進(jìn)馬達(dá)，重復(fù)精度高，能夠進(jìn)行垂直或二維掃描；三是信號(hào)放大與多通道采集裝置，擁有5通道；四是配套軟件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化。

二、微電極分析系統(tǒng)能做什么？

案例1：磷循環(huán)解析

該案例的目標(biāo)是厘清酸性水稻土中Fe-P的釋放與再固定機(jī)制。

操作過程如下：所使用的微電極包括pH、DO。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將原狀土柱放置在微剖面系統(tǒng)中，進(jìn)行白天光照、夜間黑暗各12h的處理。

研究發(fā)現(xiàn)：白天根際的DO滲透深度達(dá)到2mm，pH升至6.8，Fe2?降至檢出限以下，PO?3?的峰值出現(xiàn)在1.5mm處；夜間DO耗盡，Eh降至–150mV，Fe2?在0–2mm區(qū)間急劇增加，PO?3?被重新吸附或沉淀，根際磷有效性下降3–5倍。

案例2：H?S監(jiān)測(cè)

此案例的目標(biāo)是評(píng)估城市河道底泥疏浚前后H?S毒性的時(shí)空風(fēng)險(xiǎn)。

操作方式為：采用的微電極有H?S（安培型，探針前端100µm）、pH、DO、溫度。實(shí)驗(yàn)分為三步，首先沿河道布設(shè)6根柱狀樣，微電極垂直剖面為0–40mm，步距250µm；其次同步采集上覆水的DO、光照、流速，輸入軟件進(jìn)行3D插值；最后在疏浚后第1、7、30天進(jìn)行復(fù)測(cè)。

這套微電極分析系統(tǒng)具有多方面優(yōu)勢(shì)：在微尺度上，具備100–200µm的空間分辨率和秒級(jí)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了“原位無(wú)損"監(jiān)測(cè)；能進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量，可同步或序列測(cè)量pH、DO、H?S、NO、Eh等參數(shù)；具備可視化功能，能直接導(dǎo)出梯度、通量和模型參數(shù)；應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，適用于實(shí)驗(yàn)室可控土柱、野外原狀沉積物、根際微域、生物膜、濕地潮汐帶等。