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Easysensor平面光极分析方法与多种应用场景案例分享

发表时间:2023-09-01 10:06

该设备利用光化学传感膜荧光成像原理,实时获取水体、沉积物-水微界面、水生动植物和土壤植物根际环境的DO、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。

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,最后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。

光化学传感膜:

平面光极测量优势:

1、实时、快速地获取微区DO/pH/CO2的分布;非侵入性成像测量,不破坏原生环境。

2、配备1250w(便携式)/2000w(封闭式)像素的CMOS相机,实现时间分辨率毫秒,空间分辨率亚毫米。

3、PO2100设备自带封闭式箱体,满足测定所需的暗室条件。

4、配套软件集成校准、获取图像、处理图像于一体,操作简单。

平面光极可以用于多种实用场景中,下面我们简单列举几个案例,例如:

案例1:沉水植物根际——驱动沉积物有机质矿化的引擎

研究背景

铁氧化物在有机碳固持过程中扮演着双刃剑的角色,与碳循环过程紧密耦合。铁氧化物对于有机碳固持/矿化的双重作用在土壤、沉积物与植物根际广泛存在。水生植物根际常富集铁氧化物并形成铁膜,因此水生植物根际的铁碳循环对于沉积物碳库的稳定性具有重要影响。目前,植物根际“锈汇”研究主要集中于陆生植物和水稻、芦苇等生活在干湿交替环境的水生植物,对于普遍存在泌氧能力、根际氧化还原环境时空异质性大的沉水植物关注较少。针对这一现状,研究团队选择了我国常见的沉水植物苦草,获取了苦草根际的铁、碳和铁细菌微生物群落组成,以及O2CO2和碳相关酶活性的高时空分辨率分布特征,明确了沉水植物根际铁膜“锈汇”效应,讨论沉水植物根际铁与碳的耦合关系。

平面光极的应用

本研究直观地说明了沉水植物的铁斑是OC矿化的热点。根尖区作为沉水植物根系最活跃的区域,是一个有效的碳矿化引擎。相反,苦草的铁斑是一种无效的锈槽。这些结果对准确评价沉积物碳库具有重要意义。基于平面光极(PO)的技术特征,我们认识到可以量化CO2通量(例如根际-沉积物界面和沉积物-水界面),并估算根际驱动的碳矿化对全球大气CO2的贡献。

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案例2:通过水生植物根系释放O2和微生物介导的砷生物转化实现对沉积物砷的修复

研究背景

砷(As)是一种剧毒类金属,可直接通过饮用受污染的水或间接通过食物链对人体健康构成严重威胁。在水生系统中,As很容易附着在悬浮颗粒上,最终沉积在沉积物中,导致其在沉积物中的浓度通常远高于其在上覆水域中的浓度。然而,在沉积物中,砷并不总是稳定的;其迁移率受铁(Fe)和锰(Mn)氧化还原驱动的循环控制。值得注意的是,与砷相关的根际生物地球化学过程发生在微观尺度上,通常是毫米到亚毫米尺度。我们目前对根际效应及其相关微生物相互作用对大型植物根际砷循环的影响的认识,受到现有研究方法空间分辨率低以及它们对根际环境造成干扰的限制。

平面光极的应用

微尺度采样和成像技术,如平面光极技术(PO)和薄膜扩散梯度技术(DGT)已被用于在亚毫米尺度上揭示根际过程。它们可以在亚毫米空间分辨率上精确测量根际溶质化学特征。因此,利用微尺度采样和成像技术,可以解开根际对大型植物根际As生物地球化学过程生物有效性的影响。因此,本研究是通过无损、高分辨率化学成像和基于高通量测序的微生物组方法,阐明根际及其相关微生物介导的As生物转化对沉水植物菹草(Potamogeton crispus)的根际修复来降低As的生物利用度的影响。本研究结果表明,根驱动的非生物和生物转化有助于As在沉积物中的固定,这为将大型植物应用于As污染沉积物的修复奠定基础。

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案例3:超积累植物李氏禾根际O2动力学和金属增溶的高分辨率成像

研究背景

植物修复技术(phytoremediation)是一种环境友好、成本低廉的重金属污染土壤原位修复技术,**应用潜力。李氏禾(Leersia hexandra Swartz)是我国境内首次发现的铬超富集植物,能将高毒性的Cr(VI)转化成低毒性的Cr(III)并积累在植物的茎和叶片中,是铬污染土壤修复的优质植物材料。为了能更好地将李氏禾应用于生产实践,还需要对李氏禾生理生化机制进行深入研究。相关研究表明植物根系泌氧能通过改变土壤氧化还原电位、促进根部铁膜形成和调控不同功能的微生物在根际发挥作用等方式影响植物对重金属的吸收。因此研究重金属处理下超富集植物根系泌氧的变化规律对阐明超富集机制具有重要意义。

平面光极的应用

由于土壤中的根–土界面、土–水界面存在大量的物质交换和能量流动,使土壤性质在微小区域内也存在显著的差异性,因此利用原位高分辨技术来揭示植物修复的根际效应和作用机理尤为重要。本研究采用平面光极技术(PO)、薄膜扩散梯度技术和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱技术,研究了铬(Cr)胁迫下水下超富集植物李氏禾根际O2和微量金属的分布。随着光照强度、空气湿度和大气CO2浓度的增加,根际O2浓度和氧化面积显著增加(p < 0.05)。O2浓度先随环境温度升高而升高,而后随温度升高而降低。Cr胁迫下根际O2浓度显著降低(p < 0.05),对环境温度变化的响应时间延长。Cr胁迫导致As、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Mo、Ni、Sb、V、W、Zn在根际的迁移率降低,且与O2浓度呈负相关。这些结果为超积累植物根系诱导的O2浓度变化在控制土壤微量金属迁移中的作用提供了新的认识。

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案例4:掩蔽与生物化学氧化相结合的原位覆盖技术对沉积物修复过程中重金属迁移和形态的影响

研究背景

镧改性膨润土(LMB)和硝酸钙(CN)的覆盖和氧化具有清除深层磷(P)/砷(As)和阻断表层P和As的双重作用。然而,关于LMB和CN对重金属影响的资料很少。

平面光极的应用

在本研究中,假设LMB和CN对重金属的协同作用与P和As相同,通过Rhizon采样器、薄膜扩散梯度技术(DGT)和平面光极(PO)方法验证了这一假设。结果表明,LMB和CN单独或联合处理能使沉积物-水界面溶解氧(SWI)逐渐降低,但最终导致界面DO增加。CN和LMB+CN处理实验中,在覆盖了30天后,表层110 mm沉积物中DGT有效态的硫化物、80 mm表层沉积物中可溶性Fe(II)和DGT有效态Fe(II)均大大降低。在CN和LMB + CN组中观察到可溶性Fe, Mn, Co和DGT有效态Mn, Co, Cu和Ni短暂急剧增加,这可能是由于硫化物氧化和碳酸盐溶解造成的。


平面光极技术的应用远不止此,因篇幅有限不能一一呈现,如您有更好的方案和想法,可以联系文末下方客服的联系方式,与我们共同探索和开发平面光极技术在更多领域的应用~

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