摘要：制备了基于八乙基卟啉铂和香豆素的光强比率测量传感膜，结合3CCD相机构建了基于比率测量法的两维溶解氧观测系统，通过实验验证了该系统在沉积物-水界面微结构的溶解氧的时空动态变化监测的可行性。基于实验室模拟观测装置对海蜇消亡过程中沉积物-海水溶解氧的变化特征进行了观测。观测结果表明在置入水母组织的第16 h后，水母分解使得沉积物-水界面的溶解氧开始下降，在2～3 d内会导致沉积物-水界面空间的海水溶解氧发生剧烈变化，在沉积物-海水界面附近海水形成严重缺氧区。第1天内，沉积物-海水界面的溶解氧消耗速率为0.2 mg·L-1·h-1，第2天溶解氧的消耗速率为0.04 mg·L-1·h-1。在近海底的水体空间内，第1天的溶解氧消耗速率为0.28 mg·L-1·h-1，第2天为0.14 mg·L-1·h-1，第3天为0.13 mg·L-1·h-1，表明水母消亡过程中的溶解氧消耗呈动态分布。实验证明水母在消亡过程中的3～4 d内可在沉积物-海水界面附近形成一个贫氧区，水母消亡过程改变了海底区域的溶解氧分布体系，将对海底生态环境产生较大影响。


溶解氧是表征水环境生物地球化学特征的重要参数之一，越来越多的研究发现全球近岸海域的底层水呈低氧或缺氧状态，当水体中溶解氧含量呈缺氧状态，将导致生态环境恶化，对沉积物-海水界面附近的生物生态环境产生影响；同时，由于表层沉积物的氧化还原平衡环境遭到破坏，聚集在沉积物种的一些有毒与有害物质可能重新活化，释放到水体中带来二次污染，因此深刻了解沉积物-海水界面附近缺氧机制及有机物富集的过程对整治和维护海底生态系统至关重要。


近年来，在部分世界沿海区域都出现了大规模水母爆发的现象，水母暴发会带来一系列的海洋生态灾害:一方面，水母暴发时在短时间内繁殖，数量迅速增多，摄取大量的营养物质，死亡后的水母残体在分解过程中，向海洋环境中释放大量的C、N、P等营养元素，影响到海洋营养元素的循环模式，造成营养元素分布不均匀；另一方面，水母组织内97%以上都是水分，是一类透明易碎的胶质浮游动物，一般水母死亡后的残体会在4～7d内产生分解，形成较大的有机质块体沉降到海底，沉降到海底的水母分解过程所产生的有机质会消耗大量溶解氧导致局部海域形成低氧和缺氧。迄今为止，人类对沉降在海底的水母消亡过程对海洋生物地球化学产生的作用以及对沉积物-海水界面附近环境带来的影响报道很少，因此全面了解水母暴发后对环境影响机制，探讨水母爆发后期对海洋环境及生态系统影响，对采取相应的应对措施具有重要的科学意义。


近几十年来，微电极技术在海底观测中得到了广泛的应用，为了解沉积物-海水界面化学物质的垂直梯度变化过程提供有效的观测手段，但是微电极测量法只能对上覆水和沉积物实现一维的测量，要获取两维空间的分布变化信息，需要多个微电极重复上下移动，使得观测系统的设计复杂，增加了水下操作的难度。近年来，荧光平面光极(Planar Optodes)技术开始应用于海洋生物地球化学的观测，为获取原位、接近真实环境的两维变化信息提供了一种新的观测手段。光学平面传感器都将荧光指示剂包埋在高分子薄膜或溶胶凝胶中，利用成像器件记录激发的二维荧光光强度，依据像素标定的传递函数，可以计算所测物质的浓度。平面光极可以在不干扰沉积物环境的前提下记录两维高分辨率的时空变化过程，如生物扰动对沉积物-海水界面的pH影响、生物扰动对溶解氧在沉积物中的扩散作用、表层沉积物的二氧化碳的两维分布等。


平面光极通常采用荧光强度或荧光寿命测量方法。荧光强度测量容易受外界照射强度、光照不均匀及荧光指示剂分布等因素的影响，导致测量精度及稳定性较差。荧光寿命是基于荧光指示剂的本征参量，具有较高的抗外界光干扰能力，具备较好的准确性和稳定性，但是荧光寿命范围为微秒级或毫秒级，需要配置复杂的触发控制电路，使得观测仪器的制作变得复杂。比率检测法利用同时测量荧光激发强度与参考光的比值，可以消除荧光强度测量存在的对环境因素敏感的不足，同时不需要复杂的控制电路系统，具有较高的实用性。目前报道的溶解氧比率法测量多采用彩色CCD靶面，利用覆盖在CCD表面的Bayer滤光片将光分解为1个红光谱带、1个蓝光谱带，2个绿光谱带记录光谱强度，然后通过后期软件进行处理再分别提取3种光谱强度值。该方法由于每个像素只接收对应色彩的光线，需要将其他光谱范围的光强过滤掉，因此会引起2/3的光强损失，影响检测灵敏度。本文提出了基于3CCD相机的成像观测系统，在CCD靶面前利用分色棱镜将三入射光分解为三组光谱，每个单独颜色的光分别通过对应的CCD成像，因此有效保证了各光谱强度。基于八乙基卟啉铂(PtOEP)作为荧光指示剂制备了比率法的光学平面传感膜，结合平面传感膜和高分辨率相机构建了可以进行二维空间溶解氧的动态实时观测系统，并在实验室进行了水母消亡过程在沉积物-海水界面附近的时间序列观测模拟实验，给出了水母消亡过程对沉积物-海水界面附近生溶解氧动态变化结果。