平面光極的制備及水母消亡對沉積物-海水界面溶解氧影響的模擬觀測?

姜子可, 于新生,2??， 李 棟， 閻子衿， 張 宇

(中國海洋大學 1. 海洋地球科學學院；2. 海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

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平面光極的制備及水母消亡對沉積物-海水界面溶解氧影響的模擬觀測?

姜子可1, 于新生1,2??， 李 棟1， 閻子衿1， 張 宇1

(中國海洋大學 1. 海洋地球科學學院；2. 海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

制備了基于八乙基卟啉鉑和香豆素的光強比率測量傳感膜，結(jié)合3CCD相機構(gòu)建了基于比率測量法的兩維溶解氧觀測系統(tǒng)，通過實驗驗證了該系統(tǒng)在沉積物-水界面微結(jié)構(gòu)的溶解氧的時空動態(tài)變化監(jiān)測的可行性。基于實驗室模擬觀測裝置對海蜇消亡過程中沉積物-海水溶解氧的變化特征進行了觀測。觀測結(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-水界面的溶解氧開始下降，在2～3 d內(nèi)會導致沉積物-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，表明水母消亡過程中的溶解氧消耗呈動態(tài)分布。實驗證明水母在消亡過程中的3～4 d內(nèi)可在沉積物-海水界面附近形成一個貧氧區(qū)，水母消亡過程改變了海底區(qū)域的溶解氧分布體系，將對海底生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

溶解氧； 平面光極； 海蜇消亡過程； 沉積物-海水界面

溶解氧是表征水環(huán)境生物地球化學特征的重要參數(shù)之一[1-2],越來越多的研究發(fā)現(xiàn)全球近岸海域的底層水呈低氧或缺氧狀態(tài)，當水體中溶解氧含量呈缺氧狀態(tài)，將導致生態(tài)環(huán)境惡化，對沉積物-海水界面附近的生物生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[3-4]；同時，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，釋放到水體中帶來二次污染[5]，因此深刻了解沉積物-海水界面附近缺氧機制及有機物富集的過程對整治和維護海底生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。

近年來，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)會帶來一系列的海洋生態(tài)災害:一方面,水母暴發(fā)時在短時間內(nèi)繁殖,數(shù)量迅速增多,攝取大量的營養(yǎng)物質(zhì),死亡后的水母殘體在分解過程中,向海洋環(huán)境中釋放大量的C、N、P等營養(yǎng)元素,影響到海洋營養(yǎng)元素的循環(huán)模式,造成營養(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,是一類透明易碎的膠質(zhì)浮游動物,一般水母死亡后的殘體會在4～7d內(nèi)產(chǎn)生分解,形成較大的有機質(zhì)塊體沉降到海底,沉降到海底的水母分解過程所產(chǎn)生的有機質(zhì)會消耗大量溶解氧導致局部海域形成低氧和缺氧[10-11]。迄今為止，人類對沉降在海底的水母消亡過程對海洋生物地球化學產(chǎn)生的作用以及對沉積物-海水界面附近環(huán)境帶來的影響報道很少，因此全面了解水母暴發(fā)后對環(huán)境影響機制，探討水母爆發(fā)后期對海洋環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)影響，對采取相應的應對措施具有重要的科學意義。

近幾十年來，微電極技術(shù)在海底觀測中得到了廣泛的應用，為了解沉積物-海水界面化學物質(zhì)的垂直梯度變化過程提供有效的觀測手段[12-13]，但是微電極測量法只能對上覆水和沉積物實現(xiàn)一維的測量，要獲取兩維空間的分布變化信息，需要多個微電極重復上下移動，使得觀測系統(tǒng)的設計復雜，增加了水下操作的難度。近年來，熒光平面光極(Planar Optodes)技術(shù)開始應用于海洋生物地球化學的觀測，為獲取原位、接近真實環(huán)境的兩維變化信息提供了一種新的觀測手段[17]。光學平面?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)的二維熒光光強度，依據(jù)像素標定的傳遞函數(shù)，可以計算所測物質(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空變化過程，如生物擾動對沉積物-海水界面的pH影響[14,16-18，20]、生物擾動對溶解氧在沉積物中的擴散作用[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度或熒光壽命測量方法。熒光強度測量容易受外界照射強度、光照不均勻及熒光指示劑分布等因素的影響，導致測量精度及穩(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，具備較好的準確性和穩(wěn)定性，但是熒光壽命范圍為微秒級或毫秒級，需要配置復雜的觸發(fā)控制電路，使得觀測儀器的制作變得復雜。比率檢測法利用同時測量熒光激發(fā)強度與參考光的比值，可以消除熒光強度測量存在的對環(huán)境因素敏感的不足，同時不需要復雜的控制電路系統(tǒng)，具有較高的實用性。目前報道的溶解氧比率法測量多采用彩色CCD靶面，利用覆蓋在CCD表面的Bayer濾光片將光分解為1個紅光譜帶、1個藍光譜帶，2個綠光譜帶記錄光譜強度，然后通過后期軟件進行處理再分別提取3種光譜強度值。該方法由于每個像素只接收對應色彩的光線，需要將其他光譜范圍的光強過濾掉，因此會引起2/3的光強損失，影響檢測靈敏度。本文提出了基于3CCD相機的成像觀測系統(tǒng)，在CCD靶面前利用分色棱鏡將三入射光分解為三組光譜，每個單獨顏色的光分別通過對應的CCD成像，因此有效保證了各光譜強度。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平面?zhèn)鞲心ぃY(jié)合平面?zhèn)鞲心ず透叻直媛氏鄼C構(gòu)建了可以進行二維空間溶解氧的動態(tài)實時觀測系統(tǒng)，并在實驗室進行了水母消亡過程在沉積物-海水界面附近的時間序列觀測模擬實驗，給出了水母消亡過程對沉積物-海水界面附近生溶解氧動態(tài)變化結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 溶解氧的測量機理

水體中溶解氧濃度測量是基于熒光淬滅機理，由于O2分子與熒光指示劑相互作用，導致熒光強度的衰減及熒光壽命的縮短，而熒光強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、生物、以及海洋領(lǐng)域中溶解氧濃度的觀測[14]。水體中溶解氧濃度測量可以用Stern-Volmer方程[26]表示：

(1)

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

實際應用中，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，設定其中未參與部分的比例為A，則參與部分為1-A，那么可以修改式(1)得到以下方程：

(2)

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

(3)

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

1.2 溶解氧平面光極制備

前人對PtOEP的熒光淬滅特性進行了詳細的研究[25-26]，本文采用對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，摻雜對氧分子無響應的香豆素染料作為熒光能量供體，在激勵光源的照射下，包埋在薄膜中的PtOEP可以647 nm附近產(chǎn)生一個較強的發(fā)射熒光。由于PtOEP和香豆素染料都在480 nm附近存在一個吸收峰，因此可以采用同一個激勵光源對熒光指示劑和香豆素進行激勵。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。利用光譜儀對制備傳感膜進行檢測，其光譜響應如圖1所示。香豆素的發(fā)射波長峰值在500 nm附近，熒光指示劑的發(fā)射波長峰值在650 nm附近。這2個波長的發(fā)射光中，只有熒光指示劑熒光強度與溶解氧濃度相關(guān)，其中香豆素熒光強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干擾。圖2為所采用的3CCD相機的3個光譜通道的響應，因此在光學鏡頭中設置一個470 nm長通濾波器將光源發(fā)射光濾除，就可利用綠光CCD和紅光CCD同時記錄PtOEP熒光指示劑的發(fā)射光和香豆素參考光的光強，簡化了光路系統(tǒng)，簡化了平面光極觀測系統(tǒng)的光路結(jié)。

1.3 平面光極觀測系統(tǒng)

實驗所用激勵光源為深圳市天耀光電有限公司的大功率LED(SP1-S6BC-1)，其中心波長為460 nm，滿足激發(fā)八乙基卟啉鉑的需求。將3個LED與聚光燈罩集成作為激發(fā)光源。為了避免單側(cè)光照射帶來的光強不均勻，采用2組照明光源，在相機的兩側(cè)對稱放置。

圖1 在460 nm激勵光的照射下溶解氧傳感膜的光譜特性

圖2 3CCD相機的光譜響應

熒光圖像采用美國JAI AT-200GE面陣3CCD相機，該相機在R/G/B 3個波段各采用了1個1/1.8英寸CCD，每個CCD的像素分辨率為1 624×1 236。利用3CCD相機，其中2個光譜帶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，同時在鏡頭前端安置一個長通濾波片(>470 nm)，阻止背景光及激發(fā)反射光進入鏡頭。實驗觀測裝置如圖3所示，3CCD相機正對傳感膜，而光源與傳感膜觀測面呈30°角。

圖3 模擬實驗裝置

1.4 傳感膜校準

溶解氧傳感膜在實際應用之前，需要對傳感膜進行校準，本文采用了兩點校準擬合方法。校準實驗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水亞硫酸鈉粉末消耗溶解氧的方法，整個校準實驗過程中，實驗室溫度控制在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時間，每次添加無水亞硫酸鈉粉末到觀測水槽后，對人工海水進行充分的攪拌，并穩(wěn)定10 s后再進行圖像的采集。在校準過程中，利用便攜式溶解氧測量儀(型號：YSI-DO200)同步記錄水體中的溶解氧。該溶解氧儀的測量范圍為0～20 mg/L,分辨率為0.01 mg/L，精度為±2%。每個校準點分別用YSI-DO200和相機進行同步記錄，然后利用公式(3)計算每個像素的溶解氧濃度值，并繪制每個像素的擬合Stern-Volmer曲線。圖4為溶解氧平面?zhèn)鞲心さ男是€，橫坐標為溶解氧的絕對含量(mg/L)，縱坐標為像素光強比，根據(jù)測量值擬合后的參數(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 平面光極的像素準曲線(室溫25 ℃)

1.5 沉積物-海水界面附近模擬觀測實驗

采用石英玻璃制作了長15 cm寬15 cm高15 cm的觀測實驗水槽，將所制備的平面?zhèn)鞲心び猛该髂z粘到石英觀測窗口上。

實驗所用的海水與沉積物均取自青島石老人海水浴場潮間帶區(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槽中。在模擬實驗過程中，為模擬自然界的海洋環(huán)境，采用一個蠕動泵抽取海水，用另一個蠕動泵將新鮮海水灌入觀測池中。在整個式樣過程中，除觀測面外，其余4個面均用黑紙包住，降低外界光的干擾影像。

放進海蜇的第一天每隔2 h采集1次，共計8次；第2天每隔12 h采集1次，共計2次；第3天，每隔12 h采集1次，共計2次；在余下日子里，每隔24 h采集1次，共計15次。在實驗過程中，室內(nèi)溫度一直控制在25 ℃。

每次觀測，均采集6幀圖像并存入計算機硬盤中，用于圖像的后續(xù)處理。基于Matlab工具開發(fā)了觀測圖像處理程序，首先對每次采集的6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；最后利用每個像素的Stern-Volmer校準曲線進行單個像素溶解氧含量的計算。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量的影響，圖像處理過程中只選取只中心區(qū)域47 mm×68 mm作為傳感膜的有效測量范圍，所對應的單個像素點空間分辨率為0.52 mm×0.52 mm。圖5(a)為用色彩表示的觀測區(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；圖(b)為從圖(a)中所抽取的黑線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 實驗結(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，因此可以認為氧分子是水體中主要的淬滅提供者，其他因素對溶解氧所引起的交叉靈敏性影響可以忽略不計[29]。在校準試驗中，分別對低氧、飽和氧及中間的3個點進行傳感膜精度的評估，與傳統(tǒng)的溶解氧測量儀YSI-DO200進行了對比。表1給出了與YSI-DO200同步測量的傳感膜對應的像素平均測量值，可以看出基于傳感膜測量的像素平均值與YSI-DO200具有很好的線性關(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)具有較好的測量精度，在接近飽和氧的測量中會產(chǎn)生較大的測量誤差，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的平面光極進行沉積物-海水界面溶解氧的測量是可行的。在本試驗中，所采用的相機像素精度為8-bit，如采用高精度像素相機可以進一步提高測量精度[30]，譬如12-bit、16-bit。但是高像素精度相機會帶來采集時間及圖像處理時間延長的問題，因此要針對應用需求來綜合平衡像素精度和測量精度之間的選取。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速度較慢、靈敏度低等不足。

表1 傳統(tǒng)溶解氧測量方法YSI-DO200與平面光極對比

平面光極在應用過程中不消耗試劑，與傳統(tǒng)的微電極相比具有較長的使用壽命[29]。采用同步測量發(fā)射熒光和參考光進行光強的比值計算，外界干擾引起的光強變化同時對熒光和參考光都產(chǎn)生影響，通過比率計算可以有效的抑制外界的干擾，同時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量離子濃度的熒光指示劑具有更高的化學常穩(wěn)定性[24-25，29]。Kazumasa等對基于PtEOP熒光指示劑的平面?zhèn)鞲心ぴ诤Ｋ欣眉罟庠催B續(xù)照射19 h，發(fā)現(xiàn)對照射前和照射后的校準系數(shù)ksv、和A幾乎沒有改變，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]。對平面光極測量穩(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產(chǎn)生泄露，熒光指示劑的泄露會導致光強比值產(chǎn)生漂移。因此在連續(xù)使用過程中，需要進行定期的標定，以保證測量結(jié)果的準確性。

2.2 沉積物-海水界面水母消亡模擬觀測

在室內(nèi)模擬實驗的第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,惡臭味逐漸變淡。室內(nèi)模擬實驗的觀測表明，水母組織的分解過程一般需要4～6 d。

圖6 沉積物-水界面剖面溶解氧分布的時間序列觀測結(jié)果

圖6是將切割的水母快放入觀測水槽后，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處黑線的一維溶解氧垂直梯度變化。

圖7 抽取黑線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厚度為2～30 mm的界面擴散邊界層(DBL)。在沉積物表面的上覆水區(qū)存在一個耗氧區(qū)域，高度約80～150 mm，這是因為在沉積物界面表層生存著大量的細菌和微生物，這些細菌和微生物的新陳代謝活動消耗水體中的氧[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)逐漸變成無氧區(qū)，同時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程中產(chǎn)生一系列的化學反應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間序列觀測結(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，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。本模擬實驗表明水母組織在海底降解過程中，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后可導致水體空間形成貧氧區(qū)。

((a)是沉積物-水界面(黑線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B)和沉積物-水界面上部15 mm(黑線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貧氧區(qū)，改變了海底區(qū)域的溶解氧分布體系。

模擬觀測結(jié)果表明，水母在消亡過程中的2～3 d內(nèi)會導致沉積物-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，形成嚴重缺氧區(qū)，并且缺氧區(qū)向水體空間擴散，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，可導致海底微生物群的缺氧而窒息死亡[27]，對沉積物-海水界面附近生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響[28]。

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于八乙基卟啉鉑和香豆素的光強比率測量傳感膜制備，該傳感膜在低溶解氧的測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系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對沉積物-水界面的溶解氧兩維動態(tài)分進行實時觀測，其空間分辨率可達0.52 mm，為研究缺氧-有氧界面附近的動態(tài)變化過程提供了新的觀測手段。

在實驗室對水母在海底消亡過程進行了模擬觀測研究，觀測結(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-水界面溶解氧開始下降。在2～3 d內(nèi)會導致沉積物-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態(tài)分布。

實驗結(jié)果表明,海蜇在消亡過程中的3～4 d內(nèi)會導致沉積物-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，水母的消亡將對海底的生態(tài)結(jié)構(gòu)和生存環(huán)境會產(chǎn)生嚴重的影響。

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責任編輯 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

國家自然科學基金項目(41176089；41176078)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2013CB429704)資助

2013-12-27；

2014-04-02

姜子可(1987-)，男，碩士，研究方向為海洋地球化學及原位觀測方法。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