沉积物-海水界面氧与pH两维分布的双荧光传感技术研究

Diagenetic reactions and material transport in surface sediments play a central role in biogeochemical cycling in marine environments. The actives of benthic animals dramatically alter material transport reaction and distribution between sediment and overlying water, such as nutrient exchange across sediment, transport and transformation of metals and organic material. However, the effect of bioturbation on diagenetic processes and biogeochemical cycles has been poorly understood so far. In this project, we proposed to develop a novel planar optical sensing system which allows high-resolution measurements of spatial and temporal dynamics of oxygen and pH distribution simultaneously. The study is focused in fluorosensor, digital imaging system design, information processing and in situ observation, both theoretically and experimentally. The results from this research will be used to provide accurate and quantitative information of benthic biogeochemical processes and effect of sediment environment. It will raise general awareness about the benthic process, and will advance our understanding the effect of sediment interaction on biogeochemical cycle and environmental problems.

沉积物的表层成岩作用和物质输送在生物地球化学循环起着重要作用，底栖生物扰动和生理活动加速了孔隙水与上覆水之间的物质交换和能量流动、改变了沉积物-海水界面营养盐、金属元素及有机物的传输通量和转化过程。然而，目前人类对底栖生物扰动在表层沉积物矿化调节作用及对整个生物地球化学循环贡献的认识还处于猜测和定性的阶段，缺乏令人信服的定量化解释。本项目针对平面荧光传感技术在沉积物-海水界面的两维动态变化原位观测中的若干关键问题，开展高灵敏度传感机理的基础研究、成像方法与传感器结构的技术研究、两维溶解氧与pH 实时观测与性能测试的应用研究，皆在研制出沉积物-海水界面双重组分同时检测的高分辨率平面荧光化学传感系统原型，为进一步认识海洋生物扰动对沉积环境的影响及生物地球化学循环的贡献提供新视角和资料；为我国海洋生物地球化学研究、环境问题决策提供新的参数和依据。

传统海底原位观测传感器无法同时实现水平和垂直方向的微观异质性变化实时观测，制约了对海底界面及沉积物对沉降颗粒的氧化还原作用、海底细菌及微生物对有机质的氧化途径及早期成矿影响、以及沉积物中污染物的分解与变化机制等一系列关键科学问题的深入了解。为解释这些错综复杂的相互作用科学问题，其核心途径之一是获取多要素、多时空分辨率的连续观测资料，特别是高时空分辨率的化学指标动态变化过程。.本项目围绕着现场获取亚毫米级两维空间生物地球化学资料所面临的挑战性难题，以溶解氧、pH值检测为切入点，重点开展了沉积物-海水界面微观尺度的定量原位观测与分析方面的研究，为获取沉积物-水界面复杂梯度动态提供准确数据资料建立了新技术新方法，通过4年取得了如下的进展：（1）建立了基于比率法的高时空分辨率溶解氧、pH值两维实时测量光化学传感系统原型，实现了空间分辨率可达微米级、时间分辨率为20秒的两维测量体系；（2）以新材料和新方法为理论依据，探索了金属配合物选择、掺杂纳米颗粒修饰、纳米纤维制模等改性处理方法，为高灵敏度、快响应时间的平面传感膜的构建提供了理论依据和技术方法；（3）探索了多组分直接同步测量的新方法，实现了复杂海水中溶解氧、pH值双参数同时测量传感膜与定量分析方法，为水下两维空间多参数同步实时观测提供了新思路；（4），建立了平面光极化学传感器校准平台与分析系统，并应用于沉积物-水界面氧交换及传输机制的观测与分析研究，为新型平面光极传感器的构建提供了理论与技术依据。.海洋科学研究的特点在于任何新的科学理论提出及及科学问题的认识都依赖于先进观测技术，以获取精确、高分辨率、大空间尺度和长时序的资料。本项目完成的双参数、两维现场观测新方法，为实现高时空分辨原位观测提供了理论依据和技术方法，对实现海洋边界层生物地球化学研究的源头创新，为沿海环境问题与管理提供依据都具有重要意义。