沉積物-水界面作為地球化學循環(huán)的關鍵微界面，其氧化還原電位（Eh）的微小變化可直接調控碳、氮、硫等元素的遷移轉化與生物有效性。微電極技術憑借亞毫米級空間分辨率與實時原位測量的特性，成為揭示沉積物界面Eh動態(tài)的核心工具，以下從基礎研究與人為干預響應兩方面展開分析：

一、沉積物-水界面Eh變化的微尺度解析

沉積物-水界面的Eh梯度是驅動元素循環(huán)的“引擎"，其時空異質性由生物活動、有機質分解及礦物反應共同塑造。微電極技術通過插入直徑≤100μm的Eh微電極（如Ag/AgCl參比電極與鉑絲指示電極組合），可捕捉界面以下0-5mm范圍內的電位波動，具體應用價值如下：

1.氧化還原分層的精細化表征

在湖泊、河口等富營養(yǎng)化水體的沉積物中，微電極監(jiān)測顯示：

表層氧化層（0-1mm）：Eh值通常為+100至+300mV，由溶解氧擴散維持，支持鐵/錳氧化物的沉淀；

次表層過渡層（1-3mm）：Eh值驟降至0至+100mV，伴隨硝酸鹽還原與鐵錳氧化物溶解；

深層還原層（>3mm）：Eh值低至-200至-100mV，主導硫酸鹽還原與甲烷生成。

這種分層現(xiàn)象直接影響磷的釋放（如Fe-P在還原條件下解吸）與重金屬賦存形態(tài)（如Hg2?在硫化環(huán)境中生成HgS），微電極技術為量化界面反應速率提供了關鍵數(shù)據(jù)。

2.生物擾動對Eh的動態(tài)調制

底棲動物（如搖蚊幼蟲、蠕蟲）的活動可打破氧化還原分層。微電極監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，搖蚊幼蟲洞穴周邊Eh值比周圍沉積物高50-100mV，這是由于其呼吸作用增強了氧氣向沉積物深部的傳輸。這種生物擾動可使沉積物-水界面的磷釋放通量降低30%-50%，揭示了生物在元素循環(huán)中的關鍵調控作用。

二、疏浚工程對沉積物Eh的重塑效應

疏浚作為水體污染治理的常用手段，通過移除表層污染沉積物改變界面物理化學環(huán)境。微電極技術的對比研究表明，疏浚對沉積物Eh的影響呈現(xiàn)顯著的時空異質性：

1.氧化還原條件的快速改善

在某城市湖泊疏浚工程中，微電極檢測顯示：

未疏浚區(qū)域：沉積物表層0-1mmEh值為+50mV，3mm處驟降至-150mV，表明強還原環(huán)境主導；

疏浚后1周：表層0-1mmEh值升至+200mV，5mm處仍維持+50mV，氧化層厚度增加4倍，這歸因于疏浚移除了高有機質的還原態(tài)沉積物，暴露的新界面與水體氧氣接觸更充分。

2.還原性物質的釋放風險評估

盡管疏浚提升了整體Eh值，但微電極監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，疏浚過程中機械擾動可導致深層高濃度硫化氫（H?S）向上層擴散。在疏浚設備作業(yè)區(qū)域下方10cm處，H?S微電極檢測到局部H?S濃度峰值（達500μM），伴隨Eh值短暫降至-300mV。這提示疏浚工程需警惕短期還原性物質脈沖釋放對水體的二次污染風險。

3.長期穩(wěn)定性的微尺度驗證

疏浚后3個月跟蹤監(jiān)測表明，自然沉降的細顆粒沉積物逐漸覆蓋疏浚界面，沉積物表層Eh值從+200mV緩慢降至+100mV，但5mm處Eh值穩(wěn)定在+50mV以上，維持氧化狀態(tài)。微電極數(shù)據(jù)證實，疏?？赏ㄟ^減少有機質負荷實現(xiàn)沉積物氧化還原條件的長期改善，降低內源污染釋放潛力。

三、技術優(yōu)勢

1.微電極技術的重要性

動態(tài)追蹤：傳統(tǒng)柱狀樣分析需離線處理，無法捕捉Eh的晝夜波動（如光合作用-呼吸作用驅動的氧氣Eh耦合變化），而微電極可實現(xiàn)分鐘級連續(xù)監(jiān)測；

微區(qū)定位：可精準識別沉積物中“活性熱點"（如生物洞穴、礦物富集區(qū)）的Eh異常，避免傳統(tǒng)方法的平均化偏差。

2.研究展望

多參數(shù)同步監(jiān)測：結合DO、NO、H?S、pH微電極，構建Eh-物質濃度的耦合模型，解析元素循環(huán)的關鍵控制因子；

智能傳感器集成：開發(fā)搭載微電極的原位監(jiān)測機器人，實現(xiàn)復雜地形（如珊瑚礁沉積物、深海冷泉）的Eh動態(tài)Mapping；

氣候變化模擬：通過微電極技術研究升溫、酸化對沉積物Eh的影響，預測碳硫循環(huán)對全球變化的響應。

微電極技術以其“見微知著"的能力，將沉積物研究從“宏觀統(tǒng)計"推向“微觀機制"層面。在沉積物-水界面Eh的研究中，該技術不僅揭示了自然過程的精細機制，更為疏浚等環(huán)境工程的效果評估提供了實時、精準的微尺度證據(jù)鏈。智感環(huán)境是為數(shù)較少能夠實現(xiàn)微電極系統(tǒng)開發(fā)和商業(yè)化推廣的公司，并創(chuàng)新性地推出了微電極多通道分析系統(tǒng)，可以同步高分辨率檢測pH、DO、Eh、H?S、NO等多種指標，實現(xiàn)了我國在該技術領域的彎道超車。隨著技術的持續(xù)革新，微電極將在全球變化下的沉積物功能演變、污染場地修復等領域發(fā)揮更關鍵的科學支撐作用。