近年來(lái)，以薄膜擴(kuò)散梯度（DGT）為代表的高分辨分析技術(shù)發(fā)展迅速，逐步成為表征土壤/沉積物生化異質(zhì)性的有效方法。將微尺度采樣技術(shù)與高分辨化學(xué)分析手段相結(jié)合，可在毫米-亞毫米分辨率下進(jìn)行二維化學(xué)/生物成像，能夠準(zhǔn)確地理解土壤/沉積物生物地球化學(xué)過(guò)程和污染特性。本文將結(jié)合一些應(yīng)用案例為大家介紹該技術(shù)在環(huán)境微尺度研究中的使用方法。
案例一：STE：強(qiáng)化的機(jī)理和性能優(yōu)化：使用硝酸鹽劑量策略控制下水道中的甲烷和硫化物
研究?jī)?nèi)容
近80年來(lái)，硝酸鹽一直被用作是控制下水道系統(tǒng)中有問(wèn)題氣體的化學(xué)品。然而，很少有研究探索使用不同策略同時(shí)控制下水道的生物膜和沉積物。本研究介紹了一種硝酸鹽劑量控制方法，包括初始高沖擊，然后是低水平劑量，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的下水道反應(yīng)器中以兩種不同的頻率進(jìn)行測(cè)試<110天。長(zhǎng)期研究表明，當(dāng)應(yīng)用相同的每小時(shí)劑量30 mg N/L時(shí)，更頻繁的間隔20分鐘給藥略優(yōu)于間隔1小時(shí)給藥方法(硫化物對(duì)照:98.3%±1.7% vs 97.9%±1.5%;甲烷控制:89.8±4.5% vs 83.4±6.7%)。
在第82天，在R1(對(duì)照組)、R2(每小時(shí)1次投加)和R3(每小時(shí)3次投加)中，薄膜(DGT)擴(kuò)散梯度法測(cè)定的硫化物二維剖面通量(g S m?2 d?1) 。
Chen et al.,Science of The Total Environment.,2024
高分辨DGT技術(shù)應(yīng)用
在本研究中，使用ZrO-Ag DGT測(cè)量沉積物中的硫化物通量。具體應(yīng)用如下：將DGT垂直插入沉積物中，經(jīng)過(guò)35分鐘的等待后取出，然后使用平板掃描儀掃描干燥的結(jié)合凝膠，并使用ImageJ軟件分析圖像的灰度強(qiáng)度。通過(guò)校準(zhǔn)后的公式計(jì)算硫化物通量。通過(guò)比較不同亞硝酸鹽投加策略下，沉積物中硫化物通量的變化，評(píng)估硫化物控制效果，以確定不同硫化物控制策略的經(jīng)濟(jì)可行性。
案例二：WR：海岸退化調(diào)控磷在沉積物-水界面的可利用性和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)機(jī)制及環(huán)境影響
研究?jī)?nèi)容
沿海濕地在全球范圍內(nèi)經(jīng)歷了相當(dāng)大的損失和退化。然而，在亞熱帶沿海生態(tài)系統(tǒng)中，海岸退化如何調(diào)節(jié)沉積物磷（P）轉(zhuǎn)化及其潛在機(jī)制在很大程度上尚不清楚。本研究使用高分辨率薄膜擴(kuò)散梯度（HR -DGT）和擴(kuò)散平衡（HR-Peeper）技術(shù)以及基于DGT計(jì)算的沉積物通量（DIFS）模型進(jìn)行了季節(jié)性現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，評(píng)估了P從原始濕地到中度和重度退化場(chǎng)地的退化梯度。
DGT測(cè)定的海岸退化后沉積物-水剖面中有效態(tài)P的二維分布。虛線表示沉積物和水之間的界面。
Hu et al.,Water Research.,2024
高分辨DGT技術(shù)應(yīng)用
在本研究中，使用DGT技術(shù)對(duì)沉積物和水樣中的活性磷和可溶性反應(yīng)性磷濃度進(jìn)行高分辨率的原位測(cè)量。結(jié)合高分辨率薄膜擴(kuò)散梯度（HR -DGT）和擴(kuò)散平衡（HR-Peeper），以及DGT誘導(dǎo)的沉積物通量（DGT-Induced Fluxes in Sediments, DIFS）模型，評(píng)估從原始濕地到中度和重度退化地點(diǎn)的退化梯度上磷的動(dòng)員和擴(kuò)散。
案例三：STE：氧化還原敏感金屬在河口沉積物-水界面和孔隙水中的原位二維高分辨率分布
研究?jī)?nèi)容
受污染沉積物中的金屬可能對(duì)底棲生物構(gòu)成高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)威脅。具有不同氧化態(tài)的氧化還原敏感元素的溶解度隨沉積物水環(huán)境的氧化還原狀態(tài)而變化。本研究利用新型高分辨薄膜擴(kuò)散梯度(HR-ZCA DGT)技術(shù)原位獲取了河口沉積物中DGT有效態(tài)S(-II)、P(V) 和六種氧化還原敏感金屬（Fe、Mn、V、Cu、Ni 和Zn）在沉積物-水界面中的亞毫米二維分布信息，發(fā)現(xiàn)其受人為活動(dòng)的影響較大。我們使用V轉(zhuǎn)向值（V/Fe 比約為 0.03）來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別實(shí)際的SWI 界面。Ni，Cu和Zn的擴(kuò)散邊界層（DBL）厚度與溶解氧微電極法測(cè)定的一致，在SWI上方3-6 mm。
采用HR-ZCA DGT結(jié)合LA-ICP-MS法測(cè)定的DGT有效態(tài)V、Ni、Cu、Zn（μg L?1）的二維分布和一維垂直剖面
三個(gè)點(diǎn)位的V/Fe比率的高分辨率二維分布和沉積物孔隙水和覆蓋水一維垂直垂向分布
Liu, et al., STE, 2022
高分辨DGT的應(yīng)用
在本研究中，使用高分辨率的ZrO-Chelex-AgI DGT（HR-ZCA DGT）技術(shù)對(duì)沉積物中的金屬元素進(jìn)行了原位映射，這包括了對(duì)沉積物孔隙水和水體中的S(-II)、P(V)以及六種氧化還原敏感金屬（Fe、Mn、V、Cu、Ni和Zn）的二維分布進(jìn)行研究。并通過(guò)DGT技術(shù)確定Ni、Cu和Zn的DBL厚度，這些金屬的DBL與溶解氧微電極方法確定的一致，位于SWI上方3-6毫米處。DGT技術(shù)揭示了沉積物中金屬的再活化行為和DBL與SWI之間的轉(zhuǎn)移過(guò)程，這對(duì)于理解沉積物中金屬的生物地球化學(xué)行為至關(guān)重要。
高分辨DGT技術(shù)簡(jiǎn)介
智感環(huán)境經(jīng)過(guò)10余年的技術(shù)積累與沉淀，研發(fā)出多項(xiàng)高分辨DGT技術(shù)。將DGT與電腦密度成像計(jì)量技術(shù)（CID）相結(jié)合，測(cè)定磷和硫的二維高分辨信息（42.3*42.3μm）；通過(guò)DGT固定相的改進(jìn)，研制出高分辨DGT，與激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀（LA-ICP-MS）相結(jié)合，測(cè)定重金屬二維高分辨信息。
磷二維高分辨分析 • 著色法
該方法是將Zr-oxide DGT膜著色與CID相結(jié)合，對(duì)有效磷進(jìn)行二維高分辨測(cè)定的技術(shù)。該方法著色原理與溶液中磷與鉬酸銨反應(yīng)原理一致，在Zr-oxide膜表面生成藍(lán)色絡(luò)合物，利用軟件將掃描獲得的灰度值與單位膜面積磷的累積量建立校正曲線，從而實(shí)現(xiàn)沉積物有效磷亞毫米分布信息的大批量獲取。
硫二維高分辨分析
還原態(tài)硫 S(II)的檢測(cè)采用Agl/ZrO-Agl/ ZrO-CA DGT膜， 膜吸收硫后呈黑色(AgI與S形成AgS)，用去離子水輕輕沖洗，濾紙擦干膜表面，掃描固定膜的正面，并拍攝彩色照片。通過(guò)Image J軟件將掃描獲得的圖像轉(zhuǎn)成灰度，利用校正曲線將灰度轉(zhuǎn)換成 S(-II)積累量，最后利用公式將累計(jì)量轉(zhuǎn)化成濃度值后導(dǎo)入origin生成二維濃度分布圖。
HR DGT與LA-ICP-MS技術(shù)聯(lián)用
高分辨薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）與激光剝蝕－等離子體質(zhì)譜技術(shù)（LA-ICP-MS）聯(lián)用在水土高分辨分析上有巨大優(yōu)勢(shì)，一次性測(cè)定的元素多，且分辨率高，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，可廣泛用于重金屬微觀尺度的分析。
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