探索微区/微界面的奥秘,高分辨技术方法最新分享!

不同根系发育阶段根际 O2和 pH的二维分布


土壤/沉积物是多种元素生物地球化学过程的重要场所,具有极大的空间异质性。


常规手段难以捕获目标物在土壤/沉积物中的细微变化,如果想要准确理解土壤/沉积物生物地球化学过程和污染特性又该采取怎样的研究方法呢?


土壤/沉积物具有高度的不均匀性


为此就需要采用精细的采样和高分辨研究方法来获取目标物的高分辨时空变化规律。今天小编就来为大家介绍几种比较高效的水土微尺度研究方法:


高分辨技术简介



目录

1、高分辨薄膜扩散梯度技术(HR-DGT)

2、平面光极技术(PO)

3、高分辨孔隙水采样技术(HR-Peeper)

4、激光剥蚀-等离子体质谱技术(LA-ICP-MS)

5、原位酶谱技术


一、高分辨薄膜扩散梯度技术


高分辨薄膜扩散梯度(HR-DGT)是一种被动采样与测量的技术,应用于沉积物/湿地/土壤/水体中,可原位、同步测定几十种目标物的有效态含量。


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同步测定30种以上有效态目标物


● 营养元素:P,NH3-N、NO3、N(NO2)3、S(-II);

● 阴离子:As、Cr、Mo、Sb、Se、V、W;

● 阳离子:Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb;

● 稀土元素:La、Pr、Eu、Tb 、Ho、Tm、Lu 、Ce、Nd、Sm 、Gd、Dy、Er 、Yb、Y。


应用场景


                                                土壤                                                水稻田

                                                          水体                                                              湿地


二、平面光极技术(PO)

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该设备利用光化学传感膜荧光成像原理,可原位、实时获取水体、沉积物、土壤以及植物根际O2、pH以及CO2等物理化学参数的二维分布及动态时空高分辨信息。


▲植物样品根际培养盒


该设备适用于实验室模拟研究,测定时,将光化学传感膜置于沉积物/土壤/植物根际与容器器壁之间,光敏物质与分析物相互作用并伴随荧光信号(强度、寿命)变化。


利用数字成像技术(CMOS相机)实时记录其特征发射光谱,通过软件分析,将被测物的含量在时间和空间上的变化进行可视化呈现。

▲好氧、厌氧条件下溶解氧、pH的同步变化

▲设备分析软件

三、高分辨孔隙水采样技术


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HR-Peeper是一项高分辨率孔隙水采样技术,它由Peeper采样技术发展而来,被广泛用于研究孔隙水中溶解态物质的含量。利用滤膜的特性,使沉积物孔隙水中一些可溶离子和分子通过滤膜与HR-Peeper装置中的采样介质进行物质交换,放置一段时间后达到平衡,通过测定小室内溶液浓度来计算孔隙水中离子浓度。


同步测定孔隙水中30种以上溶解态目标物


● 营养元素:P,NH3-N、NO3、N(NO2)3;

● 阴离子:As、Cr、Mo、Sb、Se、V、W;

● 阳离子:Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb;

● 其他:溶解态有机质等。



应用案例



四、激光剥蚀-等离子体质谱技术



它是近20 年来迅速发展起来的原位、微区、微量元素分析技术,它将激光剥蚀装置(LA)、电感耦合等离子体源(ICP)和质谱检测器(MS)联用。其中LA对样品进行剥蚀完成取样功能,ICP形成的样品气溶胶通过高温(约7000K)等离子体将其离子化,MS作为质量过滤器检测离子。


五、原位酶谱技术


原位酶谱是一种不需要破坏土壤结构的原位分析方法,能更真实地描绘酶的活性,可对土壤酶活性进行二维定量分析。


目前土壤原位酶谱技术主要应用于以土壤酶中的水解酶研究,其对于水解酶活性测定的精准度远远大于其他土壤酶。原位酶谱技术根据成像原理可以分为感光乳剂法、荧光标记底物技术和高度淬灭荧光标记底物法三种。

                                           

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此外,将原位酶谱与其他技术相结合,可以进一步挖掘土壤微生物、土壤理化性质及根际沉积物等与土壤酶活的内在联系,推动深入开展土壤酶学的研究,这对于我国土壤酶学的研究尤其具有借鉴作用。


以上是微尺度研究中较为常见的五种高分辨分析方法,这几种方法还可进行联用,实现更多指标同步测定的目的。


1、薄膜扩散梯度技术与平面光极技术联用

   DGT   &   PO   

DGT和PO联用之后可以同时观测水体、土壤/沉积物中营养盐、重金属(类金属)元素以及植物根际O2、pH与CO2等环境参数的二维分布及动态变化过程。



01 原理与装置


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02 原位采集装置


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03 应用案例


案例一

▲沉积物-水界面DO、pH、CO2与H2S的梯度分布

案例二

                                                                                                                                                                                                        Martin et al., ISME 2019

▲将平面光极、DGT技术与微生物群落分析相结合,研究海草根际泌氧(ROL)对硫化物侵蚀的防御作用


2、薄膜扩散梯度技术与电脑密度成像计量技术联用

   DGT   &   CID

例一、磷二维高分辨分析 • 着色法


技术原理:该技术是将Zr-Oxide DGT膜着色与电脑密度成像计量(CID)相结合。


  • 显色:加入显色剂,35℃水浴显色,Zr-Oxide 膜表面着色随时间的变化。

▲Zr-Oxide 膜表面着色随时间的变化


  • 灰度校正:事先将扫描获得的灰度值与单位膜面积磷的累积量建立校正曲线,利用校正曲线将样品的灰度转换成积累量,快速获得有效磷含量信息。

▲灰度值校正标线

Ding et al., Environ. Sci. Technol., 2013.


                                                                                                     ▲着色后原图                                                            ▲有效态浓度分布


例二、硫二维高分辨分析


技术原理:还原态硫 S(-II)的检测采用 AgI DGT, DGT暴露沉积物后,对固定膜上S(-II)的分析采用电脑密度计量(CID)技术。


  • 扫描:用去离子水轻轻冲洗固定膜,滤纸擦干表面,放置于扫描仪上,扫描固定膜的正面。

  • 灰度校正:利用 Image J 软件将扫描获得的图像转成灰度,利用校正曲线将灰度转换成 S(-II)积累量。

  • 提取和测定:将扫描后的固定膜通过切片、提取、 比色的方法测定硫。


                                                                                    扫描→                                        灰度校正 →                                                     有效态浓度


3、高分辨薄膜扩散梯度技术与激光剥蚀-等离子体质谱技术联用

   HR-DGT   &   LA-ICP-MS   


联用流程


高分辨分析图   ⬇

分辨率188微米x188微米


高分辨DGT 和LA-ICP-MS 联用在高分辨分析上有巨大优势,一次性测定的元素多,且分辨率高,操作简单,检测效率高,可广泛用于重金属微观尺度的分析。


4、薄膜扩散梯度技术与高分辨孔隙水采样技术联用

   DGT   &   HR-Peeper   


将DGT与HR-Peeper 同时使用,并结合相关模型,可获得目标离子在土壤/沉积物固-液之间的交换动力学特征参数(解吸速率,响应时间等),用于预测土壤/沉积物的环境质量变化。

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