摘要：制備了基于八乙基卟啉鉑和香豆素的光強(qiáng)比率測量傳感膜，結(jié)合3CCD相機(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在沉積物-水界面微結(jié)構(gòu)的溶解氧的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測的可行性?；趯?shí)驗(yàn)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(jìn)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(dǎo)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(yán)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(dòng)態(tài)分布。實(shí)驗(yàn)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(gè)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。

溶解氧是表征水環(huán)境生物地球化學(xué)特征的重要參數(shù)之一，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(dāng)水體中溶解氧含量呈缺氧狀態(tài)，將導(dǎo)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；同時(shí)，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，因此深刻了解沉積物-海水界面附近缺氧機(jī)制及有機(jī)物富集的過程對整治和維護(hù)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，水母暴發(fā)會帶來一系列的海洋生態(tài)災(zāi)害:一方面，水母暴發(fā)時(shí)在短時(shí)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?bào)w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；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(dòng)物，一般水母死亡后的殘?bào)w會在4～7d內(nèi)產(chǎn)生分解，形成較大的有機(jī)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(jī)質(zhì)會消耗大量溶解氧導(dǎo)致局部海域形成低氧和缺氧。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(xué)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(bào)道很少，因此全面了解水母暴發(fā)后對環(huán)境影響機(jī)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(yīng)的應(yīng)對措施具有重要的科學(xué)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(yīng)用，為了解沉積物-海水界面化學(xué)物質(zhì)的垂直梯度變化過程提供有效的觀測手段，但是微電極測量法只能對上覆水和沉積物實(shí)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(gè)微電極重復(fù)上下移動(dòng)，使得觀測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)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(yīng)用于海洋生物地球化學(xué)的觀測，為獲取原位、接近真實(shí)環(huán)境的兩維變化信息提供了一種新的觀測手段。光學(xué)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(qiáng)度，依據(jù)像素標(biāo)定的傳遞函數(shù)，可以計(jì)算所測物質(zhì)的濃度。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(shí)空變化過程，如生物擾動(dòng)對沉積物-海水界面的pH影響、生物擾動(dòng)對溶解氧在沉積物中的擴(kuò)散作用、表層沉積物的二氧化碳的兩維分布等。

平面光極通常采用熒光強(qiáng)度或熒光壽命測量方法。熒光強(qiáng)度測量容易受外界照射強(qiáng)度、光照不均勻及熒光指示劑分布等因素的影響，導(dǎo)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(zhǔn)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(fù)雜的觸發(fā)控制電路，使得觀測儀器的制作變得復(fù)雜。比率檢測法利用同時(shí)測量熒光激發(fā)強(qiáng)度與參考光的比值，可以消除熒光強(qiáng)度測量存在的對環(huán)境因素敏感的不足，同時(shí)不需要復(fù)雜的控制電路系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用性。目前報(bào)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(gè)紅光譜帶、1個(gè)藍(lán)光譜帶，2個(gè)綠光譜帶記錄光譜強(qiáng)度，然后通過后期軟件進(jìn)行處理再分別提取3種光譜強(qiáng)度值。該方法由于每個(gè)像素只接收對應(yīng)色彩的光線，需要將其他光譜范圍的光強(qiáng)過濾掉，因此會引起2/3的光強(qiáng)損失，影響檢測靈敏度。本文提出了基于3CCD相機(jī)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(gè)單獨(dú)顏色的光分別通過對應(yīng)的CCD成像，因此有效保證了各光譜強(qiáng)度?；诎艘一策K(PtOEP)作為熒光指示劑制備了比率法的光學(xué)平面?zhèn)鞲心?，結(jié)合平面?zhèn)鞲心ず透叻直媛氏鄼C(jī)構(gòu)建了可以進(jìn)行二維空間溶解氧的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水母消亡過程在沉積物-海水界面附近的時(shí)間序列觀測模擬實(shí)驗(yàn)，給出了水母消亡過程對沉積物-海水界面附近生溶解氧動(dòng)態(tài)變化結(jié)果。