生物擾動下海底沉積物-水界面溶解氧二維觀測方法

李 棟,姜子可,于新生,黃 頌

(中國海洋大學 海洋地球科學學院,海底科學與探測技術教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

沉積物-水界面作為在物理、化學、生物特征等方面差異性顯著的環境邊界[1],是生物地球化學循環和生態系統耦合發生的重要區域。該界面上發生的生物擾動,特別是沉積食性大型動物通過掘穴、攝取食物、遷移等生命活動引起的一系列物理、化學和微生物過程活動[2],改變原有的沉積結構,改變了沉積物的粒徑、孔隙度、滲透性等物理性質,加速了孔隙水與上覆水之間的物質交換和能量流動,改變了沉積物-水界面營養鹽、金屬元素以及有機物的傳輸通量和轉化過程,以及沉積物的早期成巖和沉積記錄[3]。因此生物擾動是控制和調節水相與沉積相之間物質輸送和交換的重要途徑[4],在陸海相互作用,氮、磷循環研究以及評價沉積環境中占據重要地位[5],同時也對海底有機物生產和降解起到影響作用,具備重要的研究價值[6]。

生物擾動和生物灌溉機理在全球海洋通量和陸海相互作用等研究領域受到極大重視,但是受現場觀測手段的限制,生物掘穴引起的沉積物孔隙水的動態變化過程缺少連續的定量化觀測資料。傳統的碘量法溶解氧測量方法需要現場采集水樣,然后將待測水樣在實驗室內滴定,需要耗費大量人工時間,效率低,且不能反映真實的環境[7];電極式電化學探頭法自身耗氧,易氧化,使用壽命短[8];光纖化學傳感器與微電極化學傳感器均為針對環境中的單個點進行測量,如要進行剖面測量,需要復雜的控制輔助裝置,不利于高時空分辨率連續測量的應用。新型的平面光學氧傳感器采用數字 CCD對整個觀測區域一次性成像,記錄二維空間變化可以實現空間上的高分辨率連續測量,在空間尺度上可以提供微米級分辨率,在時間尺度上可以達到秒級,因此自 20世紀 90年代成為新型的沉積物-水界面原位光學測量手段[9-10]。

目前平面光學傳感器采用熒光光強、熒光壽命和熒光相位三種參數的測量方法,其中熒光壽命測量方法不易受外界干擾,但實驗裝置復雜昂貴[11];基于熒光光強測量方法易受實驗環境(雜光、激勵光源光通量不穩定等)的影響[12];熒光相位測量雖然受外界影響較小,但是需要鎖相發達器等復雜的電子控制設施[13]。如果可以利用不受溶解氧淬滅作用影響的其他熒光作為參照,則可以通過比值(指示劑熒光/熒光素)來去除部分干擾的影響,以期望可以獲取同基于熒光壽命測量方法相近的較好的試驗效果。本研究以八乙基卟啉鉑為熒光指示劑,摻雜香豆素作為熒光素能量供體,以聚苯乙烯為基質制作了光學平面傳感膜。以發光二極管(LED)為激勵光源,結合彩色相機,構建了基于比率法的二維溶解氧觀測系統,實現了沉積物–海水界面溶解氧二維分布的高時空分辨率觀測,為研究生物擾動下的沉積物-水界面的微觀環境下溶解氧的通量擴散及有機物早期成巖作用提供定量化的數據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

平面傳感膜: 選用八乙基卟啉鉑(PtOEP)為熒光指示劑,采用惠普 C3875A打印膜作為支撐膜(厚度為100 μm,具有較高的透明特性),將PtOEP、香豆素染料、聚苯乙烯,按照重量百分比1 %/1 %/4 %的比例溶解于三氯甲烷中形成均勻的液體[14],然后采用涂膜器(英國易高刀片式涂膜器)將制備的液體涂布在支撐膜表面形成厚度約為 20 μm的膜,溶劑揮發后形成厚度＜2 μm的平面傳感膜。所制備的傳感膜光譜特性如圖 1所示,主要包含光源反射光(F)、熒光素發射熒光(M)和熒光指示劑發射熒光(P)三個部分波長范圍不同的現象。利用彩色CCD相機的貝葉斯分光原理,可以從RGB圖像中分別提取熒光指示劑發射熒光光譜(位于 600～700 nm,反映為 R值)和熒光素發射熒光光譜(一部分位于500～600 nm,反映為G值)信息,從而省卻了在鏡頭前安置不同濾光片的機構,簡化了實驗裝置。

實驗沉積物與海水: 取自青島市石老人海灘潮間帶下緣的細粒沉積物2個15 cm高的柱狀樣,同時在柱狀樣附近采集海水用于模擬實驗中海底環境。

圖1 傳感膜光譜分布圖Fig.1 Spectral distribution of camera received light

實驗用沙蠶: 在市場上購置活性較好、健康的青島本地沿海沙蠶,長度為5～7 cm。

1.2 傳感膜校準方法

平面光學氧傳感器的溶解氧測量的原理是利用溶解氧對熒光染料的熒光淬滅效應,熒光淬滅劑的含量與熒光衰減效果符合Stern-Volmer (SV)方程[15]:

其中I0、τ0表示在無氧情況下([O2]=0)的平均熒光光強或壽命,I、τ表示在特定[O2]下的最大熒光光強或壽命,KSV為與特定淬滅劑種類相關的 Stern-Volmer常數。當溶解氧含量上升時,熒光的光強減弱,壽命縮短。

利用手持式溶解氧測量儀(YSI–DO200型)對實驗水槽中的海水的溶解氧含量進行測量,將其作為標準。校準實驗采用向人工海水中按一定比例通入純氧配合添加無水亞硫酸鈉粉末的方法,使得溶解氧含量逐漸改變,然后采集圖像。為了盡量保持溶解氧分布的均勻,觀測水槽內的海水經過充分的攪拌,并且穩定10 s后再進行觀測記錄,獲取不同溶解氧含量的測量記錄,然后根據測量點繪制SV方程曲線。

利用富士 1821型相機和筆記本電腦作為采集和記錄裝置,選擇中心波長為460 nm的藍色LED作為激勵光源,采用石英玻璃制作了15 cm×15 cm×15 cm(長×寬×高)的觀測實驗水槽,將所制備的平面傳感膜用膠粘到石英觀測窗口上,實驗平臺如圖2(b)所示。

圖2 實驗裝置結構Fig.2 Structure of measuring system

根據基于放射性同位素的初步研究,海底沉積物中的生物擾動的平均深度為9.8 cm±4.5 cm,最深可達30 cm[16-17]。因此模擬實驗以深度10 cm的沉積物作為觀測范圍。將采集的青島市石老人海灘潮間帶柱狀樣放入實驗水槽中,使得沉積物在箱體內高度約為10 cm,然后倒入厚度約為5 cm采自同一地點的海水。在距離傳感膜約1 cm左右的位置平行地向沉積物中插入藍色隔板(100 mm×40 mm),水槽放置于上述校準實驗中標識的位置,并靜置 24 h,使物質交換達到初步平衡。在隔板與傳感膜之間放入沙蠶,并利用空氣泵向海水中通入空氣維持其生命活動,對沉積物-水界面進行時序觀測,記錄了沙蠶活動對沉積物結構的影響過程。

1.3 圖像分析方法

利用 Matlab工具開發了圖像處理程序,首先對采集的3～5幀記錄圖像進行平均,然后進行3×3中值濾波,以去除椒鹽噪聲及其他干擾,然后利用每個像素的校準數值進行溶解氧含量的計算,其結果以二維色彩顯示。

2 結果和討論

2.1 傳感膜校準

理想情況由SV方程給出,而實際制作的傳感膜不可能達到熒光指示劑分子全部發生熒光淬滅效應,設定其中未參與部分的比例為A,則參與部分為1－A,那么可以得到以下方程:

其中I0表示在無氧情況下([O2]=0)的平均熒光光強,I表示在特定[O2]下的平均熒光光強(包含發生熒光淬滅效應的部分和未發生熒光淬滅效應的部分)。涂膜方式制作的傳感膜由于指示劑濃度相對較大,涂層較厚,導致A始終大于0。

對于采用比率法進行的熒光光強測量,(2)式中所用的光強實為I=則公式(2)可以改寫為:

于實驗室內在不同溶解氧含量下進行校準,獲得校準曲線如圖 3所示,橫坐標為溶解氧與溶劑的質量比,縱坐標為像素光強比I/I0,其中,A=0.5056(標準偏差 0.0070),KSV=0.3734(標準偏差0.0197),表示自制傳感膜中平均 50.56%的指示劑受到了熒光淬滅效應的影響。可以通過改善熒光指示劑的包埋方法和工藝來提高熒光涂層的網格結構和降低傳感膜厚度,進一步提高傳感膜的性能,使其更加疏松多孔且厚度更小,從而使A值縮小。

圖3 傳感膜校準曲線(室溫11℃下)Fig.3 Calibration curve under 11℃

2.2 實驗結果

利用以上的校準結果,在實驗水槽中進行了生物擾動觀測,通過對沙蠶掘穴下的沉積物-海水界面的觀測圖像進行計算處理,獲得沙蠶掘穴過程的溶解氧二維分布變化,如圖4所示,圖像對應區域為79.5 mm×85 mm,單個像素點為0.36 mm×0.36 mm。

圖4 生物擾動下沉積物-水界面溶解氧分布圖Fig.4 Distribution of dissolved oxygen (DO)at sediment-water interface (SWI)with bioturbaion

觀測結果表明,沉積物普遍表現為貧氧,溶解氧質量比接近于0;界面以上的海水中富含溶解氧,質量比在 5～6 μg/g,在沉積物與海水界面存在較為清晰的界面。沙蠶掘穴區域引起上覆水灌溉到洞穴中,使得洞穴中心溶解氧質量比從0上升至4～5 μg/g;在洞穴邊緣形成一個海水擴散區,其溶解氧含量變化為2～3 μg/g。

從圖 4(a)沙蠶掘穴到圖 5(b)洞穴填埋的變化過程共持續638 s,在像素點(139,139)位置由于沙蠶擾動下引起溶解氧質量比由3.7 μg/g減小到0.4 μg/g,基本為線性變化,如圖5(b)所示。一方面是由于沉積物中的微生物呼吸作用消耗水體中的氧,另一方面是沉積的遷移,逐漸將洞穴填補。而對比與界面以上的海水中溶解氧的含量變化甚微,可以得知,后者起到了主要作用。

圖5 生物擾動下沉積物-水界面溶解氧隨時間的變化Fig.5 DO concentration changes with time

2.3 結合實際應用的討論

該傳感器在室內模擬環境下獲得了良好的測量效果,但如果要運用到野外環境中去尚需要更多的工作。譬如: 擴散邊界層是沉積物-水界面擴散通量的瓶頸,其厚度一般小于1 mm[18],本傳感器可以通過進一步提高空間分辨率至0.1 mm為其提供二維分布數據支持。傳感器應放置于底棲生物密度大、水流穩定、時間變化小等環境相對穩定且研究資料較為充足的區域,以便于進行補償和誤差分析。

采用嵌入式采集模塊如 PC104平臺或者 ARM平臺,合適的硬件接口支持,通過嚴格控制時序,可以實現傳感器的微型化和測量結果的及時顯示,對于傳感器的產品化是不可缺少的。

3 結語

本文介紹了一種基于聚苯乙烯網格膜的溶解氧傳感系統,對生物擾動下沉積物–水界面溶解氧分布進行了在線實時觀測研究,根據二維平面監測圖像的熒光強度定量分析溶解氧在沉積物中的擴散通量變化。實驗結果表明沙蠶挖掘產生一系列沉積顆粒的混合作用,增加沉積物與上覆水的交換從而產生沉積物中溶解氧的擴散通量增加,表現為在生物擾動區域溶解氧質量比升高 3～5 μg/g,對改變沉積物異質性有著重要影響。平面光學氧傳感器具有較高的時空空間分辨率,對定量研究生物擾動過程引起的沉積物溶解氧通量變化及對沉積物異質性的作用具有實際應用意義。

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