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1.3平面光電極系統(tǒng)及圖像處理方法
平面光電極系統(tǒng)由激發(fā)光源、平面感應膜、圖片獲取裝置以及圖片處理裝置構成（圖1）。本研究采用中心波長為400和450 nm的LED燈（20 W，深圳天耀）作為激發(fā)光源。圖片獲取裝置采用佳能600 D相機，配置Sigma 50 mm F2.8 EX DG微距鏡頭，鏡頭前加裝540 nm長波通濾光片（深圳激埃特光學）。pH值感應薄膜經激發(fā)光照射后，釋放560 nm波長的光，經過濾光片過濾后被相機獲取。目前平面光電極技術采用的定量方法主要有3種：熒光強度定量、強度比率定量和熒光壽命定量。熒光強度定量方法簡單易行，但缺點也很明顯，容易受到背景光的干擾；熒光壽命定量方法雖然精確，但是其設備體系復雜、造價過高、操作不便。本實驗采用的是基于熒光強度比率定量的RGB三色參比法進行圖形數(shù)據(jù)處理方法。該方法主要是通過獲取RAW圖像，利用圖像處理軟件將拍攝圖像的G通道的熒光強度值提取出來。將兩個不同波長激發(fā)光源（400和450 nm）照射后產生的釋放光圖片G通道熒光強度做比率值，得到的比率值與pH值相對應作標準曲線，以上操作通過計算機使用ImageJ軟件進行。本實驗中相機的有效像素分辨率為5184×3456，成像傳感器尺寸為22.3 mm×14.9 mm，拍照時放大倍數(shù)為5倍，因此可以獲得圖片分辨率為21.5μm×21.5μm的pH值二維分布圖。與傳統(tǒng)的pH值測定方法如微電極相比，本方法可以獲取二維pH值分布特征圖像并提供更高的分辨率，有利于檢測微尺度內pH值的變化。
圖1平面光電極系統(tǒng)裝置示意
2實驗設置
研究樣點位于太湖梅梁灣（31°30′31″N,120°10′31″E），于2014年10月12日用彼得森采泥器抓取表層沉積物，并利用重力采水器采集深度1.2 m處的水樣。采樣后立即運回實驗室，將沉積物和水樣一起放入聚乙烯材質的整理箱中，將濕沉積物過300目的篩網以去除水絲蚓，對上覆水進行曝氣培養(yǎng)，光照比為12 h∶12 h，白天開啟日光燈強度約為100 lx，晚上測試室用遮光布遮擋住外部光線。室溫控制在20±2℃。
霍甫水絲蚓和沉積物一同從太湖中采集，帶回實驗室對上覆水進行曝氣培養(yǎng)以保證上覆水中的溶解氧充足，培養(yǎng)一周后連同沉積物取出放入300目的篩網中，將沉積物洗凈，篩網中的剩余物（主要為植物殘體和底棲動物）倒入托盤中，挑取其中體長約3——4 cm、生長程度相對均一、活性較強的霍甫水絲蚓成蟲裝入5 ml離心管中，20℃保溫待用。
裝有沉積物的有機玻璃盒子尺寸為10 cm（長）×8 cm（寬）×10 cm（高），盒子的前端擋板材質為透紫外光石英玻璃（10 cm×10 cm×2 mm）。實驗開始時將HPTS平面感應膜貼在石英玻璃上，排除所有氣泡，并在膜邊緣處用防水膠帶密封。將充分混勻的沉積物緩慢放入有機玻璃盒子中以保證沉積物中沒有氣泡，填充后沉積物的深度約為5 cm.通過虹吸方法緩慢加入湖水，然后將黑色有機玻璃擋板（10 cm×10 cm）在石英玻璃后2 mm處緩慢插入沉積物，以這2 mm寬度空間作為霍甫水絲蚓活動區(qū)域。將挑選好的霍甫水絲蚓個體（共5條）加入沉積物中，定期觀察其擾動對沉積物界面二維pH值變化的影響。分別在不同的時間通過光學系統(tǒng)（圖1）獲取沉積物~水界面平面感應膜熒光圖片。熒光圖片經計算機處理后得到沉積物~水界面二維pH值圖像。
3結果與討論
3.1霍甫水絲蚓擾動對沉積物~水界面pH值二維分布的影響
霍甫水絲蚓投加前，沉積物和上覆水有明顯分層，形成穩(wěn)定的沉積物~水界面?；舾λz蚓放入后，第2 d在石英玻璃板面開始有水絲蚓洞穴結構出現(xiàn)（圖2），經過霍甫水絲蚓擾動2 d后的沉積物~水界面開始模糊，最大擾動深度約為3 cm.相對于傳統(tǒng)研究方法，本實驗采用的方法能夠更直觀、清楚地觀察到水絲蚓洞穴結構以及擾動軌跡。
圖2霍甫水絲蚓擾動前后熒光照片對比
圖3霍甫水絲蚓擾動作用對沉積物~水界面二維pH值分布變化，圖3A到圖3H分別為第0 d（即未投放霍甫水絲蚓）至第7 d的二維pH值圖像
霍甫水絲蚓擾動后對沉積物~水界面的二維pH值影響如圖3所示?？傮w而言，上覆水的pH值較高，最高值達到8.4，而沉積物底部的pH值較低，只有6.6，在2——3 cm深度內pH值降低了約1.8個單位。未加霍甫水絲蚓時，沉積物~水界面上下的pH值分布特征非常明顯，呈現(xiàn)上覆水高、沉積物低的趨勢（圖3A），pH值變化梯度十分劇烈，在界面處約0.5 cm深度內降低約1.2個pH值單位。加入霍甫水絲蚓后（圖3B），由于霍甫水絲蚓短時間內需要適應新環(huán)境，所以沉積物pH值并沒有明顯變化，但是沉積物~水界面已經開始變得模糊，這是由于霍甫水絲蚓的擾動增大了沉積物~水界面面積，為沉積物和上覆水中物質交換提供了場地條件。第2 d開始，霍甫水絲蚓的生命活動強度明顯增加，石英玻璃板壁出現(xiàn)明顯的水絲蚓洞穴軌跡，上覆水進入沉積物中并引起了部分沉積物pH值的升高，之后的5 d內，由于霍甫水絲蚓生命活動的不斷進行，沉積物~水界面的pH值分布特征已經有明顯改變，最終在表層沉積物中形成了1 cm深的pH值緩沖區(qū)域。
