土壤與沉積物作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其與水體間的界面過程對(duì)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)以及生態(tài)系統(tǒng)健康有著深遠(yuǎn)影響。沉積物 - 水界面是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用區(qū)域，氧氣、硫化氫等物質(zhì)在此區(qū)域的交換與轉(zhuǎn)化，直接影響著水體和沉積物的理化性質(zhì)、微生物活動(dòng)以及生態(tài)系統(tǒng)功能。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法在研究沉積物- 水界面物質(zhì)交換機(jī)制時(shí)存在一定局限性，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)界面微觀尺度物質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的精準(zhǔn)測量。而微電極技術(shù)憑借其優(yōu)勢，為深入研究土壤與沉積物監(jiān)測領(lǐng)域中的界面過程提供了新的有效手段。

微電極是一種具有微米級(jí)探頭尺寸的電極，其工作原理基于物質(zhì)在電極表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)微電極插入沉積物- 水界面時(shí)，目標(biāo)物質(zhì)（如氧氣、硫化氫等）會(huì)在電極表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，產(chǎn)生與物質(zhì)濃度相關(guān)的電信號(hào)。通過對(duì)這些電信號(hào)的測量和分析，就能夠獲取目標(biāo)物質(zhì)在電極附近的濃度信息。

微電極設(shè)備具有諸多顯著特點(diǎn)。首先，其微米級(jí)的探頭尺寸使其具有較高的空間分辨率，能夠在微觀尺度上對(duì)沉積物 - 水界面進(jìn)行精確測量，捕捉到傳統(tǒng)方法難以檢測到的物質(zhì)濃度梯度變化。其次，微電極的響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測物質(zhì)濃度的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于研究快速發(fā)生的界面過程至關(guān)重要。此外，微電極可以進(jìn)行原位測量，避免了樣品采集和處理過程中可能引入的誤差，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性   。

微電極在土壤與沉積物監(jiān)測中的應(yīng)用

（一）氧氣擴(kuò)散通量研究

氧氣在沉積物 - 水界面的擴(kuò)散通量對(duì)微生物呼吸、有機(jī)物分解以及氧化還原反應(yīng)等過程起著關(guān)鍵調(diào)控作用。微電極能夠精確測量沉積物 - 水界面不同深度處的氧氣濃度，通過構(gòu)建氧氣濃度梯度曲線，結(jié)合菲克擴(kuò)散定律，可準(zhǔn)確計(jì)算出氧氣的擴(kuò)散通量。研究發(fā)現(xiàn)，在富營養(yǎng)化湖泊的沉積物 - 水界面，由于藻類大量繁殖和有機(jī)物積累，氧氣在沉積物表層迅速消耗，形成明顯的氧氣濃度梯度，微電極測量結(jié)果顯示氧氣擴(kuò)散通量在不同季節(jié)和不同區(qū)域存在顯著差異，這為深入理解湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氧氣循環(huán)機(jī)制提供了重要數(shù)據(jù)支持。

（二）硫化氫擴(kuò)散通量研究

硫化氫是一種具有強(qiáng)還原性的物質(zhì)，在沉積物 - 水界面的含量和擴(kuò)散通量對(duì)水體和沉積物的氧化還原狀態(tài)、重金屬遷移轉(zhuǎn)化以及水生生物生存有著重要影響。微電極可以有效地檢測沉積物 - 水界面的硫化氫濃度，研究表明，在厭氧環(huán)境下的沉積物中，硫化氫濃度較高，并且會(huì)隨著沉積物深度的增加而逐漸升高。通過微電極對(duì)硫化氫擴(kuò)散通量的測量，揭示了硫化氫從沉積物向水體擴(kuò)散的規(guī)律，以及其與硫酸鹽還原菌活動(dòng)之間的密切關(guān)系，為評(píng)估沉積物中硫化物污染風(fēng)險(xiǎn)和制定相應(yīng)的治理措施提供了科學(xué)依據(jù)。

（三）揭示界面物質(zhì)交換機(jī)制

       除了氧氣和硫化氫，微電極還可以用于研究其他多種物質(zhì)（如營養(yǎng)鹽、重金屬離子等）在沉積物 - 水界面的擴(kuò)散和交換過程。通過同時(shí)測量多種物質(zhì)的濃度分布和擴(kuò)散通量，結(jié)合微生物群落結(jié)構(gòu)分析和環(huán)境因素監(jiān)測，能夠全面揭示沉積物 - 水界面復(fù)雜的物質(zhì)交換機(jī)制。例如，研究發(fā)現(xiàn)沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放與氧氣濃度、微生物活動(dòng)以及沉積物粒徑等因素密切相關(guān)，微電極技術(shù)為闡明這些因素之間的相互作用關(guān)系提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，有助于深入理解生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的調(diào)控機(jī)制。

       微電極技術(shù)在土壤與沉積物監(jiān)測領(lǐng)域中的界面過程研究中發(fā)揮著重要作用，通過對(duì)氧氣、硫化氫等物質(zhì)擴(kuò)散通量的精確測量，為揭示沉積物 - 水界面物質(zhì)交換機(jī)制提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)和深入見解。其高空間分辨率、實(shí)時(shí)監(jiān)測和原位測量等優(yōu)勢，使其成為研究界面微觀過程的有力工具。智感環(huán)境是為數(shù)不多能夠?qū)崿F(xiàn)微電極系統(tǒng)開發(fā)和商業(yè)化推廣的公司，并創(chuàng)新性地推出了微電極多通道分析系統(tǒng)，可以同步高分辨率檢測pH、DO、Eh、H?S、NO等多種指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了我國在該技術(shù)領(lǐng)域的彎道超車。然而，目前微電極技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨電極制作與校準(zhǔn)、長期穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)處理等方面的挑戰(zhàn)。