水体溶解氧（DO）是衡量水生态系统健康状况的关键指标之一，其浓度和分布直接影响水生生物的生存、繁殖以及水体中各类生化反应的进程。在水体环境中，溶解氧的分布呈现出显著的微尺度异质性，特别是在沉积物-水界面、生物膜表面等微环境区域，溶解氧浓度在微米到毫米尺度内会发生剧烈变化。传统的溶解氧监测方法，如碘量法、便携式溶氧仪等，因空间分辨率低、难以实现原位实时监测等局限性，无法准确捕捉这些微尺度区域的溶解氧动态变化。微电极技术凭借其高灵敏度、高空间分辨率以及能够进行原位实时监测的特性，成为研究水体溶解氧微尺度分布的重要工具，在揭示水体微环境生态过程、评估水质污染等方面发挥着关键作用。
微电极技术通常基于电化学原理，以极谱法和原电池法最为常见。在极谱法微电极中，一般采用贵金属（如铂、金）作为工作电极，当微电极插入水体中，在工作电极和参比电极之间施加特定的极化电压，水体中的溶解氧会在工作电极表面发生还原反应：产生的还原电流与溶解氧浓度遵循能斯特方程，通过测量该电流大小，即可换算出溶解氧的浓度。原电池法微电极则利用溶解氧在两个不同金属电极（如铅-银电极）上发生氧化还原反应产生的电流，该电流与溶解氧浓度呈线性关系，从而实现对溶解氧的定量检测。
微电极的探头尺寸较小，通常在微米级别，这种微小的尺寸使得微电极能够深入到水体的微环境中，对局部区域的溶解氧进行精准测量，从而获取高空间分辨率的溶解氧分布数据。
微电极技术在水体溶解氧微尺度分布监测中具有明显优势。其一，高空间分辨率使其能够精确探测微米级别的溶解氧浓度变化，例如在研究水生植物根际的溶解氧分布时，可清晰呈现距离根表皮不同微米距离处的溶解氧梯度，为研究植物-微生物-环境之间的相互作用提供详细数据。其二，具备高灵敏度，可检测到极低浓度的溶解氧，适用于缺氧或厌氧环境下的溶解氧监测。其三，能够实现原位实时监测，避免了采样过程中样品暴露于空气中导致的溶解氧浓度变化，真实反映水体微环境中溶解氧的动态变化过程，为深入研究水体生态过程提供可靠的数据支持。
沉积物-水界面是水体中物质循环和能量转换的重要区域，该界面处的溶解氧分布对污染物的迁移转化、微生物群落结构和功能有着重要影响。利用微电极技术，科研人员能够详细研究沉积物-水界面溶解氧的垂直分布特征。研究发现，在沉积物表层几毫米内，溶解氧浓度会随着深度的增加而迅速降低，形成明显的氧梯度。在有氧的表层沉积物中，好氧微生物活跃，参与有机物的氧化分解；而在缺氧或厌氧的深层沉积物中，则以厌氧微生物为主，进行发酵、硫酸盐还原等厌氧代谢过程。通过对沉积物-水界面溶解氧微尺度分布的监测，有助于深入理解污染物在该界面的归趋，为水体污染治理和生态修复提供理论依据。
生物膜广泛存在于自然水体和人工水处理系统中，其内部的微生物代谢活动与溶解氧浓度密切相关。微电极技术可以穿透生物膜，对其不同深度处的溶解氧进行测量，揭示生物膜内溶解氧的微尺度分布规律。研究表明，生物膜表面由于与水体充分接触，溶解氧浓度较高，适合好氧微生物生长；而随着生物膜厚度的增加，内部溶解氧逐渐被消耗，形成缺氧甚至厌氧区域，为厌氧微生物提供生存环境。这种溶解氧的微尺度分布差异导致生物膜内微生物群落结构和功能呈现分层现象，不同类型的微生物在各自适宜的溶解氧环境下发挥作用，共同参与物质循环和污染物降解。通过实时监测生物膜表面溶解氧的动态变化，能够更好地理解生物膜的生态功能，优化水处理工艺中生物膜反应器的运行参数。
水生植物根际是一个特殊的微环境，植物根系的呼吸作用、泌氧过程以及根际微生物的代谢活动都会影响该区域的溶解氧分布。微电极技术能够准确测量水生植物根际微尺度的溶解氧浓度，研究发现，一些水生植物在生长过程中会通过根系向周围环境分泌氧气，在根表皮附近形成好氧微区，这不仅有助于植物自身抵御厌氧胁迫，还为根际好氧微生物的生长提供了适宜环境，促进根际有机物的分解和养分转化。同时，根际溶解氧的微尺度分布还会影响重金属等污染物在根际的形态和迁移转化，通过监测根际溶解氧，可为评估水生植物对污染物的吸收和净化能力提供重要数据。
咨询电话