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摘要：采用平面光電極技術研究了霍甫水絲蚓（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內降低1.6個pH值單位減緩至約1 cm內降低0.6個pH值單位，并在界面處形成約1 cm深的pH值緩沖區域。水絲蚓的造穴活動也會對沉積物的二維pH值分布產生影響，洞穴內的pH值高于洞穴周邊沉積物約0.6個pH值單位。
pH值是表征水環境地球化學性質的重要參數，在控制有機質的礦化、內源污染物的釋放、營養鹽的循環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性，在沉積物界面發生的各種生物、物理、化學反應會導致pH值在微尺度呈現強烈的梯度變化，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的關鍵。
傳統的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，很難應用于沉積物~水界面微環境的測定。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，但是其測量體系復雜、造價過高、電極過于脆弱的缺點限制了其大規模的推廣應用。隨后出現了光纖感應器，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、穩定性好。盡管如此，無論是微電極還是光纖感應器，均采用單點測試，獲取批量數據或者剖面pH值數據，需要通過探頭上下移動，因此耗時且操作繁瑣。在光纖傳感器基礎上，平面光電極法測量pH值是應用于生物學和醫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值變化被引入環境科學領域。
生物擾動是底棲動物影響沉積物~水界面物質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。霍甫水絲蚓（Limnodrilushoffmeisteri）是富營養化湖泊中大量出現的底棲動物，缺氧條件下依然能夠存活。霍甫水絲蚓在太湖分布廣泛，在重污染區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，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，研究結果為闡明湖泊的內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發生反應，熒光物質的強度或者壽命發生改變，利用熒光強度或者壽命改變的量來定量反映待測物質的濃度。將熒光染料制成平面傳感膜后，通過采集和處理平面傳感膜的圖片，可以得到待測物質在二維尺度上的濃度變化圖像。激發光源是發出特定波長的光來激發平面傳感膜，平面傳感膜受激發光照射后產生發射光，利用照相機作為圖像采集器采集發射光的二維數據并以圖片形式保存，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值的響應染料，HPTS是一種常用的pH值熒光指示染料，具有高量子產率、較大的stocks位移、良好的水溶性、較快的響應時間（<120 s）以及對生物無毒害作用等優良特點。該染料對pH值的靈敏響應范圍在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值響應范圍契合，因此選擇HPTS作為本實驗的pH值熒光染料。平面傳感膜的制作參考Zhu等的方法，簡述如下：HPTS染料經過與五氯化磷的加成反應，其分子中被加入磺酰基團，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）的平面感應薄膜。
