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摘要：采用平面光电极技术研究了霍甫水丝蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）扰动对湖泊沉积物~水界面二维pH值分布特征的影响。结果表明水丝蚓扰动能将沉积物~水界面处pH值的变化梯度由2.5 mm内降低1.6个pH值单位减缓至约1 cm内降低0.6个pH值单位，并在界面处形成约1 cm深的pH值缓冲区域。水丝蚓的造穴活动也会对沉积物的二维pH值分布产生影响，洞穴内的pH值高于洞穴周边沉积物约0.6个pH值单位。
pH值是表征水环境地球化学性质的重要参数，在控制有机质的矿化、内源污染物的释放、营养盐的循环等过程中具有重要作用。湖泊沉积物具有非常显著的空间异质性，在沉积物界面发生的各种生物、物理、化学反应会导致pH值在微尺度呈现强烈的梯度变化，因此高分辨获取pH值的分布信息及动力学变化是深入了解沉积物生物地球化学循环的关键。
传统的pH值测定方法包括试纸法和clark玻璃电极法，这两种方法简便易行，适用于溶液pH值测定，很难应用于沉积物~水界面微环境的测定。近年来，微电极法在沉积物~水界面pH值实验中的应用变得比较广泛，拥有较高的准确度和精密度，但是其测量体系复杂、造价过高、电极过于脆弱的缺点限制了其大规模的推广应用。随后出现了光纤感应器，其主要原理是基于荧光或磷光分析原理，将对分析物敏感指示剂固定在玻璃电极尖端，通过分析物对尖端指示剂的光学性质的改变来测定分析物的浓度。光纤传感器可以媲美微电极，而且成本较低、操作程序快捷、稳定性好。尽管如此，无论是微电极还是光纤感应器，均采用单点测试，获取批量数据或者剖面pH值数据，需要通过探头上下移动，因此耗时且操作繁琐。在光纤传感器基础上，平面光电极法测量pH值是应用于生物学和医学的一种平面测量方法，由于其具有良好的操作性以及可以测量二维平面的pH值变化被引入环境科学领域。
生物扰动是底栖动物影响沉积物~水界面物质与能量交换的主要过程之一，不仅可以改变沉积物的粒径、容重、渗透率等物理指标，也可以改变沉积物原有的生物分布、化学反应速率等生化指标。例如Pischedda等研究表明沙蚕扰动可以增加沉积物溶解氧（DO）浓度并显著改变沉积物中DO的分布特征。目前对于生物扰动影响沉积物~水界面pH值的研究较少，且多集中于海洋沉积物方面，淡水沉积物方面的研究有限。沈万斌等研究了颤蚓扰动对沉积物~水界面pH值的影响，指出颤蚓扰动对沉积物中pH值时空变化的影响较小而对上覆水的影响较大，但是作者未能明确地给出颤蚓对沉积物~水界面pH值影响能力、影响范围的大小。霍甫水丝蚓（Limnodrilushoffmeisteri）是富营养化湖泊中大量出现的底栖动物，缺氧条件下依然能够存活。霍甫水丝蚓在太湖分布广泛，在重污染区域沉积物中的密度可达25120 ind./m2.本研究拟利用平面光电极技术，二维、高分辨地探讨霍甫水丝蚓扰动对沉积物~水界面的pH值分布特征的影响，研究结果为阐明湖泊的内源污染和有机物的矿化等过程提供重要科学参考。
1材料与方法
1.1平面光电极原理
平面光电极的基本原理是基于特定荧光染料与不同浓度的待测物质发生反应，荧光物质的强度或者寿命发生改变，利用荧光强度或者寿命改变的量来定量反映待测物质的浓度。将荧光染料制成平面传感膜后，通过采集和处理平面传感膜的图片，可以得到待测物质在二维尺度上的浓度变化图像。激发光源是发出特定波长的光来激发平面传感膜，平面传感膜受激发光照射后产生发射光，利用照相机作为图像采集器采集发射光的二维数据并以图片形式保存，最后利用软件将图片处理成为待测物质浓度的二维图像。
1.2平面光电极材料
选取8-羟基芘~1,3,6-三磺酸三钠盐（HPTS）染料作为pH值的响应染料，HPTS是一种常用的pH值荧光指示染料，具有高量子产率、较大的stocks位移、良好的水溶性、较快的响应时间（<120 s）以及对生物无毒害作用等优良特点。该染料对pH值的灵敏响应范围在5.5——8.5之间，淡水湖泊水体和沉积物的pH值与该染料的pH值响应范围契合，因此选择HPTS作为本实验的pH值荧光染料。平面传感膜的制作参考Zhu等的方法，简述如下：HPTS染料经过与五氯化磷的加成反应，其分子中被加入磺酰基团，形成分子团A.将碳碳双键负载至平面基材（聚酯薄膜）表面。在过硫酸铵（APS）和TEMED的催化作用下，染料分子团A与碳碳双键加成，被固定在平面基材表面，制成荧光染料均匀分布、总厚度约150μm（含聚酯薄膜130μm）的平面感应薄膜。
