平面光極的制備及水母消亡對(duì)沉積物-海水界面溶解氧影響的模擬觀測(cè)?

姜子可, 于新生,2??， 李 棟， 閻子衿， 張 宇

(中國(guó)海洋大學(xué) 1. 海洋地球科學(xué)學(xué)院；2. 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

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平面光極的制備及水母消亡對(duì)沉積物-海水界面溶解氧影響的模擬觀測(cè)?

姜子可1, 于新生1,2??， 李 棟1， 閻子衿1， 張 宇1

(中國(guó)海洋大學(xué) 1. 海洋地球科學(xué)學(xué)院；2. 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

制備了基于八乙基卟啉鉑和香豆素的光強(qiáng)比率測(cè)量傳感膜，結(jié)合3CCD相機(jī)構(gòu)建了基于比率測(cè)量法的兩維溶解氧觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在沉積物-水界面微結(jié)構(gòu)的溶解氧的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的可行性。基于實(shí)驗(yàn)室模擬觀測(cè)裝置對(duì)海蜇消亡過(guò)程中沉積物-海水溶解氧的變化特征進(jìn)行了觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果表明在置入水母組織的第16 h后，水母分解使得沉積物-水界面的溶解氧開(kāi)始下降，在2～3 d內(nèi)會(huì)導(dǎo)致沉積物-水界面空間的海水溶解氧發(fā)生劇烈變化，在沉積物-海水界面附近海水形成嚴(yán)重缺氧區(qū)。第1天內(nèi)，沉積物-海水界面的溶解氧消耗速率為0.2 mg·L-1·h-1，第2天溶解氧的消耗速率為0.04 mg·L-1·h-1。在近海底的水體空間內(nèi)，第1天的溶解氧消耗速率為0.28 mg·L-1·h-1，第2天為0.14 mg·L-1·h-1，第3天為0.13 mg·L-1·h-1，表明水母消亡過(guò)程中的溶解氧消耗呈動(dòng)態(tài)分布。實(shí)驗(yàn)證明水母在消亡過(guò)程中的3～4 d內(nèi)可在沉積物-海水界面附近形成一個(gè)貧氧區(qū)，水母消亡過(guò)程改變了海底區(qū)域的溶解氧分布體系，將對(duì)海底生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

溶解氧； 平面光極； 海蜇消亡過(guò)程； 沉積物-海水界面

溶解氧是表征水環(huán)境生物地球化學(xué)特征的重要參數(shù)之一[1-2],越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)全球近岸海域的底層水呈低氧或缺氧狀態(tài)，當(dāng)水體中溶解氧含量呈缺氧狀態(tài)，將導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，對(duì)沉積物-海水界面附近的生物生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[3-4]；同時(shí)，由于表層沉積物的氧化還原平衡環(huán)境遭到破壞，聚集在沉積物種的一些有毒與有害物質(zhì)可能重新活化，釋放到水體中帶來(lái)二次污染[5]，因此深刻了解沉積物-海水界面附近缺氧機(jī)制及有機(jī)物富集的過(guò)程對(duì)整治和維護(hù)海底生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。

近年來(lái)，在部分世界沿海區(qū)域都出現(xiàn)了大規(guī)模水母爆發(fā)的現(xiàn)象[6]，水母暴發(fā)會(huì)帶來(lái)一系列的海洋生態(tài)災(zāi)害:一方面,水母暴發(fā)時(shí)在短時(shí)間內(nèi)繁殖,數(shù)量迅速增多,攝取大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),死亡后的水母殘?bào)w在分解過(guò)程中,向海洋環(huán)境中釋放大量的C、N、P等營(yíng)養(yǎng)元素,影響到海洋營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)模式,造成營(yíng)養(yǎng)元素分布不均勻[7-9]；另一方面,水母組織內(nèi)97%以上都是水分,是一類(lèi)透明易碎的膠質(zhì)浮游動(dòng)物,一般水母死亡后的殘?bào)w會(huì)在4～7d內(nèi)產(chǎn)生分解,形成較大的有機(jī)質(zhì)塊體沉降到海底,沉降到海底的水母分解過(guò)程所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)會(huì)消耗大量溶解氧導(dǎo)致局部海域形成低氧和缺氧[10-11]。迄今為止，人類(lèi)對(duì)沉降在海底的水母消亡過(guò)程對(duì)海洋生物地球化學(xué)產(chǎn)生的作用以及對(duì)沉積物-海水界面附近環(huán)境帶來(lái)的影響報(bào)道很少，因此全面了解水母暴發(fā)后對(duì)環(huán)境影響機(jī)制，探討水母爆發(fā)后期對(duì)海洋環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)影響，對(duì)采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施具有重要的科學(xué)意義。

近幾十年來(lái)，微電極技術(shù)在海底觀測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，為了解沉積物-海水界面化學(xué)物質(zhì)的垂直梯度變化過(guò)程提供有效的觀測(cè)手段[12-13]，但是微電極測(cè)量法只能對(duì)上覆水和沉積物實(shí)現(xiàn)一維的測(cè)量，要獲取兩維空間的分布變化信息，需要多個(gè)微電極重復(fù)上下移動(dòng)，使得觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜，增加了水下操作的難度。近年來(lái)，熒光平面光極(Planar Optodes)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于海洋生物地球化學(xué)的觀測(cè)，為獲取原位、接近真實(shí)環(huán)境的兩維變化信息提供了一種新的觀測(cè)手段[17]。光學(xué)平面?zhèn)鞲衅鞫紝晒庵甘緞┌裨诟叻肿颖∧せ蛉苣z凝膠中，利用成像器件記錄激發(fā)的二維熒光光強(qiáng)度，依據(jù)像素標(biāo)定的傳遞函數(shù)，可以計(jì)算所測(cè)物質(zhì)的濃度[18-19]。平面光極可以在不干擾沉積物環(huán)境的前提下記錄兩維高分辨率的時(shí)空變化過(guò)程，如生物擾動(dòng)對(duì)沉積物-海水界面的pH影響[14,16-18，20]、生物擾動(dòng)對(duì)溶解氧在沉積物中的擴(kuò)散作用[14,20]、表層沉積物的二氧化碳的兩維分布等[14-20]。

平面光極通常采用熒光強(qiáng)度或熒光壽命測(cè)量方法。熒光強(qiáng)度測(cè)量容易受外界照射強(qiáng)度、光照不均勻及熒光指示劑分布等因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度及穩(wěn)定性較差。熒光壽命是基于熒光指示劑的本征參量，具有較高的抗外界光干擾能力，具備較好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，但是熒光壽命范圍為微秒級(jí)或毫秒級(jí)，需要配置復(fù)雜的觸發(fā)控制電路，使得觀測(cè)儀器的制作變得復(fù)雜。比率檢測(cè)法利用同時(shí)測(cè)量熒光激發(fā)強(qiáng)度與參考光的比值，可以消除熒光強(qiáng)度測(cè)量存在的對(duì)環(huán)境因素敏感的不足，同時(shí)不需要復(fù)雜的控制電路系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用性。目前報(bào)道的溶解氧比率法測(cè)量多采用彩色CCD靶面，利用覆蓋在CCD表面的Bayer濾光片將光分解為1個(gè)紅光譜帶、1個(gè)藍(lán)光譜帶，2個(gè)綠光譜帶記錄光譜強(qiáng)度，然后通過(guò)后期軟件進(jìn)行處理再分別提取3種光譜強(qiáng)度值。該方法由于每個(gè)像素只接收對(duì)應(yīng)色彩的光線(xiàn)，需要將其他光譜范圍的光強(qiáng)過(guò)濾掉，因此會(huì)引起2/3的光強(qiáng)損失，影響檢測(cè)靈敏度。本文提出了基于3CCD相機(jī)的成像觀測(cè)系統(tǒng)，在CCD靶面前利用分色棱鏡將三入射光分解為三組光譜，每個(gè)單獨(dú)顏色的光分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的CCD成像，因此有效保證了各光譜強(qiáng)度。基于八乙基卟啉鉑(PtOEP)作為熒光指示劑制備了比率法的光學(xué)平面?zhèn)鞲心?，結(jié)合平面?zhèn)鞲心ず透叻直媛氏鄼C(jī)構(gòu)建了可以進(jìn)行二維空間溶解氧的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水母消亡過(guò)程在沉積物-海水界面附近的時(shí)間序列觀測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)，給出了水母消亡過(guò)程對(duì)沉積物-海水界面附近生溶解氧動(dòng)態(tài)變化結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 溶解氧的測(cè)量機(jī)理

水體中溶解氧濃度測(cè)量是基于熒光淬滅機(jī)理，由于O2分子與熒光指示劑相互作用，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的衰減及熒光壽命的縮短，而熒光強(qiáng)度的衰減及熒光壽命的縮短與氧的濃度成比例關(guān)系，該方法已成功的用于醫(yī)學(xué)、生物、以及海洋領(lǐng)域中溶解氧濃度的觀測(cè)[14]。水體中溶解氧濃度測(cè)量可以用Stern-Volmer方程[26]表示：

(1)

其中：I0、τ0表示在無(wú)氧([O2]=0)情況下的最大熒光光強(qiáng)或壽命；I、τ表示在有氧([O2])下的熒光光強(qiáng)或壽命；ksv是Stern-Volmer淬滅常數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用中，傳感膜內(nèi)的指示劑分子不可能全部發(fā)生熒光淬滅效應(yīng)，設(shè)定其中未參與部分的比例為A，則參與部分為1-A，那么可以修改式(1)得到以下方程：

(2)

為克服熒光強(qiáng)度測(cè)量容易受外界環(huán)境的照射強(qiáng)度、光照不均勻及熒光指示劑分布不均勻等因素的影響而導(dǎo)致測(cè)量精度和穩(wěn)定性下降的缺陷，采用比率測(cè)量法，即同時(shí)測(cè)量對(duì)溶解氧不敏感的熒光作為參考光，利用同步測(cè)量的指示劑熒光激發(fā)強(qiáng)度與參考光強(qiáng)的比值替代單一的發(fā)射熒光，這樣可以有效地改善發(fā)射熒光強(qiáng)度測(cè)量對(duì)環(huán)境因素敏感的問(wèn)題。在比率法測(cè)量中，將式(2)中的I和I0替換成I=IP/IM，I0=IP0/IM0，則公式(2)可以改寫(xiě)為：

(3)

通過(guò)校準(zhǔn)確定ksv、A、I和I0系數(shù)，利用公式(3)就可計(jì)算出[O2]的濃度。

1.2 溶解氧平面光極制備

前人對(duì)PtOEP的熒光淬滅特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究[25-26]，本文采用對(duì)氧分子具有良好淬滅作用的八乙基卟啉鉑(Platinum(II) octaethylporphyrin，PtOEP)作為溶解氧熒光指示劑，摻雜對(duì)氧分子無(wú)響應(yīng)的香豆素染料作為熒光能量供體，在激勵(lì)光源的照射下，包埋在薄膜中的PtOEP可以647 nm附近產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的發(fā)射熒光。由于PtOEP和香豆素染料都在480 nm附近存在一個(gè)吸收峰，因此可以采用同一個(gè)激勵(lì)光源對(duì)熒光指示劑和香豆素進(jìn)行激勵(lì)。將PtOEP、香豆素染料、聚苯乙烯，按照1%/1%/4%(wt/wt/wt)的比例溶解于三氯甲烷中形成均勻的液體[25]，利用厚度為125 μm的PETP膜作為支撐膜，采用刀片式涂膜機(jī)將制備的混合液均勻的涂布在支撐膜表面，形成約100 μm厚的液體膜，在室溫下靜止6 h，待溶劑揮發(fā)后形成厚度<10 μm，面積為150 mm×150 mm的傳感膜。利用光譜儀對(duì)制備傳感膜進(jìn)行檢測(cè)，其光譜響應(yīng)如圖1所示。香豆素的發(fā)射波長(zhǎng)峰值在500 nm附近，熒光指示劑的發(fā)射波長(zhǎng)峰值在650 nm附近。這2個(gè)波長(zhǎng)的發(fā)射光中，只有熒光指示劑熒光強(qiáng)度與溶解氧濃度相關(guān)，其中香豆素?zé)晒鈴?qiáng)度不受溶解氧濃度影響，并且兩者峰值位置存在著較大的差距，有效地減少了相互之間的光學(xué)干擾。圖2為所采用的3CCD相機(jī)的3個(gè)光譜通道的響應(yīng)，因此在光學(xué)鏡頭中設(shè)置一個(gè)470 nm長(zhǎng)通濾波器將光源發(fā)射光濾除，就可利用綠光CCD和紅光CCD同時(shí)記錄PtOEP熒光指示劑的發(fā)射光和香豆素參考光的光強(qiáng)，簡(jiǎn)化了光路系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了平面光極觀測(cè)系統(tǒng)的光路結(jié)。

1.3 平面光極觀測(cè)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用激勵(lì)光源為深圳市天耀光電有限公司的大功率LED(SP1-S6BC-1)，其中心波長(zhǎng)為460 nm，滿(mǎn)足激發(fā)八乙基卟啉鉑的需求。將3個(gè)LED與聚光燈罩集成作為激發(fā)光源。為了避免單側(cè)光照射帶來(lái)的光強(qiáng)不均勻，采用2組照明光源，在相機(jī)的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)放置。

圖1 在460 nm激勵(lì)光的照射下溶解氧傳感膜的光譜特性

圖2 3CCD相機(jī)的光譜響應(yīng)

熒光圖像采用美國(guó)JAI AT-200GE面陣3CCD相機(jī)，該相機(jī)在R/G/B 3個(gè)波段各采用了1個(gè)1/1.8英寸CCD，每個(gè)CCD的像素分辨率為1 624×1 236。利用3CCD相機(jī)，其中2個(gè)光譜帶CCD可以分別記錄熒光指示劑的發(fā)射熒光和香豆素的參考光，同時(shí)在鏡頭前端安置一個(gè)長(zhǎng)通濾波片(>470 nm)，阻止背景光及激發(fā)反射光進(jìn)入鏡頭。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)裝置如圖3所示，3CCD相機(jī)正對(duì)傳感膜，而光源與傳感膜觀測(cè)面呈30°角。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)裝置

1.4 傳感膜校準(zhǔn)

溶解氧傳感膜在實(shí)際應(yīng)用之前，需要對(duì)傳感膜進(jìn)行校準(zhǔn)，本文采用了兩點(diǎn)校準(zhǔn)擬合方法。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)采用向飽和溶解氧的人工海水(S=32)中按一定比例分步添加無(wú)水亞硫酸鈉粉末消耗溶解氧的方法，整個(gè)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室溫度控制在25 ℃。為了盡量保持溶解氧分布的均勻，以及考慮到傳感膜的響應(yīng)時(shí)間，每次添加無(wú)水亞硫酸鈉粉末到觀測(cè)水槽后，對(duì)人工海水進(jìn)行充分的攪拌，并穩(wěn)定10 s后再進(jìn)行圖像的采集。在校準(zhǔn)過(guò)程中，利用便攜式溶解氧測(cè)量?jī)x(型號(hào)：YSI-DO200)同步記錄水體中的溶解氧。該溶解氧儀的測(cè)量范圍為0～20 mg/L,分辨率為0.01 mg/L，精度為±2%。每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)分別用YSI-DO200和相機(jī)進(jìn)行同步記錄，然后利用公式(3)計(jì)算每個(gè)像素的溶解氧濃度值，并繪制每個(gè)像素的擬合Stern-Volmer曲線(xiàn)。圖4為溶解氧平面?zhèn)鞲心さ男?zhǔn)曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)為溶解氧的絕對(duì)含量(mg/L)，縱坐標(biāo)為像素光強(qiáng)比，根據(jù)測(cè)量值擬合后的參數(shù)為：A=0.432 18±0.006 6，ksv=0.396 94±0.045 42,表明傳感膜中平均56.79%的指示劑參與了熒光淬滅。

圖4 平面光極的像素準(zhǔn)曲線(xiàn)(室溫25 ℃)

1.5 沉積物-海水界面附近模擬觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用石英玻璃制作了長(zhǎng)15 cm寬15 cm高15 cm的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)水槽，將所制備的平面?zhèn)鞲心び猛该髂z粘到石英觀測(cè)窗口上。

實(shí)驗(yàn)所用的海水與沉積物均取自青島石老人海水浴場(chǎng)潮間帶區(qū)域。利用柱狀管采集沉積物以保持原有的沉積物層序，把采集的沉積物從柱狀管置入觀測(cè)槽內(nèi)，沉積物深度約為5 cm，然后將同一區(qū)域采集的海水緩慢加入，深度為約為8 cm，靜置24 h，在這期間一直利用加氧泵向海水中供氧，以保證水體中維持充足的氧。24 h后，將青島市鄰近海域捕撈的海蜇用海水洗凈表面沙粒,切割成1 kg(濕重)的塊體(均包含傘部和觸手部分,兩者比約為4∶1)，把切割的海蜇置入觀測(cè)槽中。在模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為模擬自然界的海洋環(huán)境，采用一個(gè)蠕動(dòng)泵抽取海水，用另一個(gè)蠕動(dòng)泵將新鮮海水灌入觀測(cè)池中。在整個(gè)式樣過(guò)程中，除觀測(cè)面外，其余4個(gè)面均用黑紙包住，降低外界光的干擾影像。

放進(jìn)海蜇的第一天每隔2 h采集1次，共計(jì)8次；第2天每隔12 h采集1次，共計(jì)2次；第3天，每隔12 h采集1次，共計(jì)2次；在余下日子里，每隔24 h采集1次，共計(jì)15次。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，室內(nèi)溫度一直控制在25 ℃。

每次觀測(cè)，均采集6幀圖像并存入計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，用于圖像的后續(xù)處理?；贛atlab工具開(kāi)發(fā)了觀測(cè)圖像處理程序，首先對(duì)每次采集的6幀記錄圖像進(jìn)行平均；然后進(jìn)行3×3中值濾波，以去除椒鹽噪聲及其他干擾；最后利用每個(gè)像素的Stern-Volmer校準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行單個(gè)像素溶解氧含量的計(jì)算。為便于直觀的顯現(xiàn)兩維空間溶解氧的分布變化，將每個(gè)像素溶解氧濃度采用色彩映射到兩維空間，如圖5(a)所示。

為消除粘結(jié)膠區(qū)域?qū)y(cè)量的影響，圖像處理過(guò)程中只選取只中心區(qū)域47 mm×68 mm作為傳感膜的有效測(cè)量范圍，所對(duì)應(yīng)的單個(gè)像素點(diǎn)空間分辨率為0.52 mm×0.52 mm。圖5(a)為用色彩表示的觀測(cè)區(qū)內(nèi)的兩維溶解氧濃度分布圖像，圖5(b)是提取的3.2 cm處的一維溶解氧垂直梯度變化。

(圖(a)為剖面溶解氧濃度的兩維分布，0為沉積物-水界面分界點(diǎn)；圖(b)為從圖(a)中所抽取的黑線(xiàn)A的溶解氧垂直梯度變化。(a) 2D oxygen distribution image. 0 is the sendiment water interface position. (b) Extracted vertical profile across the sediment-water interface from the position of the black line A.)

圖5 沉積物-海水界面附近溶解氧分布的剖面圖像

Fig.5 Oxygen distribution image around sediment-water interface

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平面光極性能

雖然水體中的一氧化氮和SO2氣體對(duì)PtEOP熒光指示劑有干擾，但是在近岸海水中這些氣體含量非常少，可以忽略不計(jì)，因此可以認(rèn)為氧分子是水體中主要的淬滅提供者，其他因素對(duì)溶解氧所引起的交叉靈敏性影響可以忽略不計(jì)[29]。在校準(zhǔn)試驗(yàn)中，分別對(duì)低氧、飽和氧及中間的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行傳感膜精度的評(píng)估，與傳統(tǒng)的溶解氧測(cè)量?jī)xYSI-DO200進(jìn)行了對(duì)比。表1給出了與YSI-DO200同步測(cè)量的傳感膜對(duì)應(yīng)的像素平均測(cè)量值，可以看出基于傳感膜測(cè)量的像素平均值與YSI-DO200具有很好的線(xiàn)性關(guān)系。

由表1可以看出，基于PtOEP熒光指示劑的比率法平面光極在低濃度范圍內(nèi)具有較好的測(cè)量精度，在接近飽和氧的測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，證明基于PtOEP的平面光極在低氧區(qū)具有較好的靈敏度和精度。鑒于沉積物-海水界面是一高耗氧區(qū)域，溶解氧的濃度較低，因此采用PtOEP的平面光極進(jìn)行沉積物-海水界面溶解氧的測(cè)量是可行的。在本試驗(yàn)中，所采用的相機(jī)像素精度為8-bit，如采用高精度像素相機(jī)可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度[30]，譬如12-bit、16-bit。但是高像素精度相機(jī)會(huì)帶來(lái)采集時(shí)間及圖像處理時(shí)間延長(zhǎng)的問(wèn)題，因此要針對(duì)應(yīng)用需求來(lái)綜合平衡像素精度和測(cè)量精度之間的選取。與傳統(tǒng)的原位溶解氧探頭相比，平面光極受圖像像素的傳輸速率及像素精度等因素制約，平面光極尚存在著響應(yīng)速度較慢、靈敏度低等不足。

表1 傳統(tǒng)溶解氧測(cè)量方法YSI-DO200與平面光極對(duì)比

平面光極在應(yīng)用過(guò)程中不消耗試劑，與傳統(tǒng)的微電極相比具有較長(zhǎng)的使用壽命[29]。采用同步測(cè)量發(fā)射熒光和參考光進(jìn)行光強(qiáng)的比值計(jì)算，外界干擾引起的光強(qiáng)變化同時(shí)對(duì)熒光和參考光都產(chǎn)生影響，通過(guò)比率計(jì)算可以有效的抑制外界的干擾，同時(shí)在圖像處理中采用了多幀圖像平均的方法，提高了圖像像素的信噪比。由于氧分子是PtOEP的主要的淬滅參與者，其他溶解氣體對(duì)溶解氧所引起的交叉靈敏性影響非常弱，因此溶解氧熒光指示劑比測(cè)量離子濃度的熒光指示劑具有更高的化學(xué)常穩(wěn)定性[24-25，29]。Kazumasa等對(duì)基于PtEOP熒光指示劑的平面?zhèn)鞲心ぴ诤Ｋ欣眉?lì)光源連續(xù)照射19 h，發(fā)現(xiàn)對(duì)照射前和照射后的校準(zhǔn)系數(shù)ksv、和A幾乎沒(méi)有改變，證明包埋PtEOP熒光指示劑的傳感膜可以忽略光降解的影響因素[29]。對(duì)平面光極測(cè)量穩(wěn)定性的起主要影響的是所包埋在基體中的熒光指示劑在水體中會(huì)產(chǎn)生泄露，熒光指示劑的泄露會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)比值產(chǎn)生漂移。因此在連續(xù)使用過(guò)程中，需要進(jìn)行定期的標(biāo)定，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 沉積物-海水界面水母消亡模擬觀測(cè)

在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的第1天和第2天，培養(yǎng)箱水面結(jié)了一層薄膜,海蜇的大小無(wú)明顯變化。第3天，海蜇塊的分解速率加快,培養(yǎng)箱水面形成一層膜,水體散發(fā)出一股惡臭味，表明大量的氨釋放到水體中，主要是微生物分解起著主要作用[7]。第4天，隨著塊體逐漸變小,海水表面薄膜漸變成紅色,同時(shí)惡臭味加劇。第5天至第6天，海蜇塊體消失,水體中只剩一些絮狀體時(shí),惡臭味逐漸變淡。室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)表明，水母組織的分解過(guò)程一般需要4～6 d。

圖6 沉積物-水界面剖面溶解氧分布的時(shí)間序列觀測(cè)結(jié)果

圖6是將切割的水母快放入觀測(cè)水槽后，從第1天至第5天期間沉積物-海水附件兩維溶解氧變化序列圖像。圖7是從圖6中的溶解氧兩維分布圖像中提取3.2 cm A處黑線(xiàn)的一維溶解氧垂直梯度變化。

圖7 抽取黑線(xiàn)A處的溶解氧垂直梯度變化。

從圖6和7的溶解氧分布變化過(guò)程可以看出初期溶解氧滲透到沉積物表層的深度約為2～30 mm，在沉積物表層形成了一個(gè)厚度為2～30 mm的界面擴(kuò)散邊界層(DBL)。在沉積物表面的上覆水區(qū)存在一個(gè)耗氧區(qū)域，高度約80～150 mm，這是因?yàn)樵诔练e物界面表層生存著大量的細(xì)菌和微生物，這些細(xì)菌和微生物的新陳代謝活動(dòng)消耗水體中的氧[30]，在上覆水區(qū)域內(nèi)溶解氧較低，在上覆水區(qū)域到海水-空氣界面的區(qū)域內(nèi)溶解氧的垂直分布呈飽和氧的分布，總體上剖面的垂直方向溶解氧的分布范圍為10～4 mg/L。

但是隨著水母組織的分解，在垂直方向上使得沉積物-海底附近的低氧區(qū)逐漸變成無(wú)氧區(qū)，同時(shí)消耗大量水體中的溶解氧，貧氧區(qū)在垂直方向上將逐漸向水體空間遷移，第3天使得水體空間呈現(xiàn)大面積的貧氧區(qū)，表明水母組織在降解過(guò)程中產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)并消耗大量的溶解氧，形成局部范圍內(nèi)大面積的貧氧區(qū)，改變了沉積物-界面及水體空間溶解氧的分布范圍。圖8是沉積物-水界面和沉積物-水界面上部15 mm處的水平方向溶解氧的分布變化的時(shí)間序列觀測(cè)結(jié)果，可以觀察到第2天在沉積物-水界面的水平方向溶解氧含量整體平均減少了3.5 mg/L,第3天沉積物-水界面就成為貧氧區(qū)域。在沉積物-水界面上部15 mm處，水平方向上溶解氧含量在整體水平方向整體呈下降趨勢(shì)，第1天平均下降6.8 mg/L，第2天下降2.5 mg/L，第3天下降3 mg/L。本模擬實(shí)驗(yàn)表明水母組織在海底降解過(guò)程中，在兩天內(nèi)可以使得沉積物-水界面附近從初期的低氧變?yōu)樨氀鯀^(qū)，并且使得貧氧區(qū)由上覆水空降向水體空間整體遷移，在3d后可導(dǎo)致水體空間形成貧氧區(qū)。

((a)是沉積物-水界面(黑線(xiàn)B)的溶解氧水平分布，(b)是位于沉積物-水界面上15 mm處(黑線(xiàn)C)的溶解氧水平分布。(a)is the spatial distribution of dissolved oxygen in the sediment-water interface,(b)is the spatial distribution of dissolved oxygen in the upper 15mm sediment-water interface.)

圖8 在沉積物-水界面(黑線(xiàn)B)和沉積物-水界面上部15 mm(黑線(xiàn)C)處的溶解氧水平空間分布
Fig.8 The horizontal distribution of dissolved oxygen in the sediment-water interface (black line B) and upper 15 mm sediment-water interface (black line C)

結(jié)合圖7和8的觀測(cè)結(jié)果可以看出，第1天內(nèi)，沉積物-海水界面的溶解氧消耗速率為0.15 mg·L-1·h-1，第2天溶解氧的消耗速率增加為0.04 mg·L-1·h-1。在近海底的水體空間內(nèi)，第1天的溶解氧消耗速率為0.28 mg·L-1·h-1，第2天為0.14 mg·L-1·h-1，第3天為0.13 mg·L-1·h-1，表明不同區(qū)域溶解氧的消耗呈動(dòng)態(tài)分布，在第1天消耗溶解氧最高，使水體中的溶解氧梯度發(fā)改變；在第2天和第3天持續(xù)消耗水體中的溶解氧，在垂直方向上和水平方向上使得水體呈缺氧狀態(tài)；第4天在水體空間形成一個(gè)貧氧區(qū)，改變了海底區(qū)域的溶解氧分布體系。

模擬觀測(cè)結(jié)果表明，水母在消亡過(guò)程中的2～3 d內(nèi)會(huì)導(dǎo)致沉積物-水界面空間的海水溶解氧發(fā)生劇烈變化，使得沉積物-海水界面附近海水溶解氧含量下降，形成嚴(yán)重缺氧區(qū)，并且缺氧區(qū)向水體空間擴(kuò)散，如果大規(guī)模水母爆發(fā)，其消亡將改變依靠水體溶解氧相關(guān)的沉積物-海水界面附近的生物群的生存環(huán)境，可導(dǎo)致海底微生物群的缺氧而窒息死亡[27]，對(duì)沉積物-海水界面附近生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響[28]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于八乙基卟啉鉑和香豆素的光強(qiáng)比率測(cè)量傳感膜制備，該傳感膜在低溶解氧的測(cè)量中具有較好的靈敏度和穩(wěn)定性。利用3CCD構(gòu)建了基于比率法的兩維溶解氧觀測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)沉積物-水界面的溶解氧兩維動(dòng)態(tài)分進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，其空間分辨率可達(dá)0.52 mm，為研究缺氧-有氧界面附近的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程提供了新的觀測(cè)手段。

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)水母在海底消亡過(guò)程進(jìn)行了模擬觀測(cè)研究，觀測(cè)結(jié)果表明，在水母水母消亡前沉積物表面的上覆水區(qū)存在一個(gè)耗氧區(qū)域，高度約80～150 mm，在上覆水區(qū)域到海水-空氣界面的區(qū)域內(nèi)溶解氧垂直分布呈飽和氧的分布。在置入水母的第16 h后，水母消亡將消耗溶解氧，使得沉積物-水界面溶解氧開(kāi)始下降。在2～3 d內(nèi)會(huì)導(dǎo)致沉積物-水界面空間的海水溶解氧發(fā)生劇烈變化，在沉積物-海水界面附近逐漸形成嚴(yán)重缺氧區(qū)。第1天內(nèi)，沉積物-海水界面的溶解氧消耗速率為0.15 mg·L-1·h-1，第2天溶解氧的消耗速率為0.04 mg·L-1·h-1。在近海底的水體空間內(nèi)，第1天的溶解氧消耗速率為0.28 mg·L-1·h-1，第2天為0.14 mg·L-1·h-1，第3天為0.13 mg·L-1·h-1，表明不同空間中溶解氧的消耗呈動(dòng)態(tài)分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,海蜇在消亡過(guò)程中的3～4 d內(nèi)會(huì)導(dǎo)致沉積物-水界面垂直方向和水平方向上的海水溶解氧發(fā)生顯著變化，消耗大量的溶解氧并形成一個(gè)貧氧區(qū)，證明在大規(guī)模水母爆發(fā)區(qū)域，水母的消亡將對(duì)海底的生態(tài)結(jié)構(gòu)和生存環(huán)境會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Development of the Planar Optode for Dissolved Oxygen Measurement for Simulated Jellyfish Decomposition Around Sediment-Water Interface

JIANG Zi-Ke1, YU Xin-Sheng1,2， LI Dong1， YAN Zi-Jin1， ZHANG Yu1

(1. College of Marine Geo-Science；2. The Key Laboratory of Seabed Resources and Investigation Technology, Ministry of Education， Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The method of preparation of membrane based on platinum octaethylporphyrin and coumarin intensity ratio measurement is presented and a ratio observing spatial systems with resolution of up to 0.52 mm by use of 3CCD camera is builed.The experiments verity the teasibility of monitoring the spatial dynamic changes of discolved oxygen in the microstructure of sediment-water interface.Observations using laboratory simulation methods is carried out to study the variation of dissolved oxygen in the sediment - seawater system in the process of jellyfish decomposition. The results show that the decomposition of jellyfish can cause significant reduction in the concentration of dissolved oxygen of the water after 16-hours by placeing the jellyfish tissue in the tank. It will cause dramatic changes of dissolved oxygen in seawater around the sediment-water interface space in 2～3 days, forming severe hypoxia zone in seawater around the sediment-water interface. In the first day, the consumption rate of dissolved oxygen in the sediment water interface is 0.15 mg·L-1·h-1, the second day, the rate is 0.04 mg·L-1·h-1.In the first day, the consumption rate of dissolved oxygen at the bottom of the water space is 0.28 mg·L-1·h-1, the second day,the rate is 0.14 mg·L-1·h-1,the third day ，the rate is 0.13 mg·L-1·h-1，it indicates that the consumption of the dissolved oxygen in different regions is a dynamic distribution. Experiments prove that the jellyfish in the decomposition of 3-4 days at the sediment water interface formed severe hypoxia zone in seawater around the sediment-water interface, the hypoxia zone will have a greater impact on the marine environment.

DO; planar optical sensor; jellyfish extinction process; sediment-water interface

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41176089；41176078)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB429704)資助

2013-12-27；

2014-04-02

姜子可(1987-)，男，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟮厍蚧瘜W(xué)及原位觀測(cè)方法。E-mail: jiangzike2011@126.com

?? 通訊作者： E-mail: xsyu@ouc.edu.cn

P716+.5

A

1672-5174(2015)02-080-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20130464