本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)和地球化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種表征土壤和沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置及方法，可為環(huán)境科學(xué)和地球化學(xué)領(lǐng)域中研究磷循環(huán)提供技術(shù)支撐。

背景技術(shù)：

1、土壤和沉積物中的磷是重要的生源要素，其生物可利用性直接關(guān)系糧食安全和水體富營養(yǎng)化水平。除了生物可利用性較高的正磷酸鹽，土壤和沉積物中還存在含量較高的有機(jī)磷。雖然有機(jī)磷無法直接被生物吸收，但是在生物磷酸酶作用下能向正磷酸鹽轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)土壤和沉積物中有機(jī)磷礦化研究主要聚焦于有機(jī)磷酶解等生物轉(zhuǎn)化過程，目前針對活性氧驅(qū)動有機(jī)磷非生物礦化研究在國際上十分匱乏。氧化還原波動條件下，土壤和沉積物中還原態(tài)鐵礦、有機(jī)質(zhì)可以通過活化氧氣生成大量活性氧（超氧自由基、過氧化氫和羥基自由基），這些具有強(qiáng)氧化性的活性氧存在將有機(jī)磷降解的潛在風(fēng)險(xiǎn)。闡明土壤和沉積物中活性氧介導(dǎo)的有機(jī)磷降解規(guī)律，對于評估磷的生物有效性和完善磷循環(huán)機(jī)制具有重要科學(xué)意義。

2、沉積物（土）-水界面經(jīng)常發(fā)生水位波動，造成界面附件的粘土礦物處在氧化還原波動環(huán)境，淹水過程土壤和沉積物中鐵礦發(fā)生厭氧還原釋放表面吸附的有機(jī)磷，排水干旱階段溶解性亞鐵接觸空氣發(fā)生氧化生成鐵氫氧化物沉淀，再次吸附固定溶液中的有機(jī)磷。沉積物（土）-水界面氧化還原波動還會產(chǎn)生活性氧，溶解態(tài)有機(jī)磷和吸附態(tài)有機(jī)磷被活性氧降解的難易效率存在較大差異，如何精準(zhǔn)探測氧化還原波動條件下鐵礦界面產(chǎn)生的活性氧降解有機(jī)磷效率在國內(nèi)外仍面臨較大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種表征土壤沉積物中活性氧降解溶解態(tài)和吸附態(tài)的有機(jī)磷效率差異的成像裝置和方法。

2、本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置，包括擴(kuò)散膜、固定膜和固定所述擴(kuò)散膜和固定膜的薄膜固定架，

4、所述擴(kuò)散膜貼合設(shè)置于所述固定膜的上方，

5、所述擴(kuò)散膜為第一凝膠形成的薄膜，所述第一凝膠內(nèi)分散有含有有機(jī)磷的鐵氧化物顆粒，所述第一凝膠為瓊脂糖凝膠；

6、所述固定膜為第二凝膠形成的薄膜，所述第二凝膠內(nèi)分散有磷吸附劑，所述第二凝膠為瓊脂糖凝膠或聚丙烯酰胺和瓊脂糖的交聯(lián)凝膠。

7、優(yōu)選的，所述含有有機(jī)磷的鐵氧化物來自于待測土壤或待測沉積物。

8、優(yōu)選的，所述磷吸附劑選自la(oh)3、zro2或caco3的納米顆粒。

9、優(yōu)選的，所述擴(kuò)散膜是由如下方法制備得到的：

10、將丙烯酰胺、瓊脂糖的混合溶液注入模具中，加入并均勻分散干燥的含有有機(jī)磷的鐵氧化物顆粒，之后加入引發(fā)劑和催化劑使所述瓊脂糖溶液固化，即得所述擴(kuò)散膜。

11、優(yōu)選的，所述瓊脂糖溶液的濃度為0.3~5%質(zhì)量濃度。

12、優(yōu)選的，所述模具為培養(yǎng)皿。

13、優(yōu)選的，所述均勻分散的方法為：超聲處理。

14、優(yōu)選的，所述均勻分散在40~60℃下進(jìn)行。

15、所述擴(kuò)散膜的厚度為2~10?mm。

16、優(yōu)選的，所述固定膜是由如下方法制備得到的：

17、將磷吸附劑加入含有丙烯酰胺、n,n-甲雙丙烯酰胺、瓊脂糖的混合溶液中，均勻分散，得到凝膠溶液，之后向所述凝膠溶液中加入引發(fā)劑和催化劑，并將凝聚溶液注入模具中，固化即得所述固定膜。

18、優(yōu)選的，所述凝膠溶液中，所述磷吸附劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1~10%。

19、優(yōu)選的，所述引發(fā)劑為過硫酸銨。

20、優(yōu)選的，所述催化劑為temed。

21、優(yōu)選的，所述凝膠溶液的溶劑為水。

22、本發(fā)明第二目的在于提供一種表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的方法，包括如下步驟：

23、（1）利用所述表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置，在無氧環(huán)境中，令所述擴(kuò)散膜的上表面均勻接觸還原性物質(zhì)，之后靜置，使得所述擴(kuò)散膜中的鐵氧化物顆粒被充分還原溶解并釋放有機(jī)磷為游離態(tài)有機(jī)磷；

24、（2）將步驟（1）處理后的所述成像裝置作為實(shí)驗(yàn)組，以未經(jīng)步驟（1）處理的所述成像裝置作為對照組；令對照組和實(shí)驗(yàn)組的擴(kuò)散膜的上表面均勻接觸活性氧進(jìn)行反應(yīng)；

25、（3）取出步驟（2）處理后的實(shí)驗(yàn)組的固定膜和對照組的固定膜，清洗后分別與顯色劑接觸，之后由掃描儀掃描，采用image?j軟件進(jìn)行成像處理，通過對比實(shí)驗(yàn)組和對照組的成像數(shù)據(jù)，得到土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷產(chǎn)生磷酸鹽的動力學(xué)數(shù)據(jù)。

26、優(yōu)選的，步驟（1）中所述的無氧環(huán)境為氧氣濃度在0.1ppm以下的環(huán)境。

27、優(yōu)選的，步驟（1）中所述的還原性物質(zhì)來源于土壤或沉積物中的有機(jī)質(zhì)。

28、優(yōu)選的，步驟（1）中所述的靜置時(shí)間為24h。

29、優(yōu)選的，步驟（2）中所述的活性氧來自于超氧化鉀、過氧化氫或過氧化氫和硫酸亞鐵的反應(yīng)。

30、優(yōu)選的，步驟（2）中所述的反應(yīng)的時(shí)間為24h。

31、優(yōu)選的，步驟（3）中所述的顯色劑為鉬酸鹽和抗壞血酸的混合溶液。

32、實(shí)驗(yàn)組的擴(kuò)散膜與還原性物質(zhì)接觸時(shí)，含有有機(jī)磷的鐵氧化物顆粒與之反應(yīng)，鐵氧化物被還原，從而將有機(jī)磷以游離態(tài)的形式釋放出，而對照組未經(jīng)還原，有機(jī)磷仍被鐵氧化物顆粒吸附。在與活性氧反應(yīng)的過程中，實(shí)驗(yàn)組中的鐵重新被氧化成為鐵氧化物，由于活性氧降解有機(jī)磷速率遠(yuǎn)快于其吸附有機(jī)磷的速率（如圖8所示），因此被釋放的游離態(tài)有機(jī)磷能被活性氧快速降解成為磷酸鹽并落入下方的固定膜，被固定膜所吸附，而不會再次被鐵礦吸附固定。固定膜中的磷吸附劑對于磷酸鹽的吸附速率大于鐵礦吸附磷酸鹽的速率（如圖9所示），因此有機(jī)磷降解生成的磷酸鹽不會被滯留在擴(kuò)散膜中的鐵礦上，而能夠快速固定在固定模中的磷吸附劑納米材料上，并通過成像環(huán)節(jié)顯示出接收到的磷酸鹽。而對照組由于未經(jīng)還原，在與活性氧接觸的過程中并不會有游離態(tài)的有機(jī)磷，從而在固定膜成像環(huán)節(jié)顯示出于實(shí)驗(yàn)組的差異。經(jīng)由對成像的分析，研究人員可以獲知土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的降解動力學(xué)或亞鐵釋放動力學(xué)或有機(jī)磷釋放動力學(xué)的數(shù)據(jù)。

33、本發(fā)明擬通過構(gòu)建二維成像凝膠薄膜，利用含有有機(jī)磷的鐵氧化物顆粒，通過成像方式表征鐵氧化物界面生成的活性氧降解游離態(tài)和吸附態(tài)有機(jī)磷效率差異。成像控制精度控制在亞毫米范圍。本發(fā)明裝置可以表征土壤和沉積物中鐵礦還原釋放有機(jī)磷過程，最大程度再現(xiàn)了活性氧介導(dǎo)有機(jī)磷動態(tài)降解微觀規(guī)律。

34、本發(fā)明的有益效果是：

35、（1）真實(shí)模擬土壤沉積物鐵礦界面有機(jī)磷溶解過程，有利于表征數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

36、（2）以成像的方式分析鐵氧化物吸附態(tài)有機(jī)磷和溶解態(tài)有機(jī)磷被活性氧降解難易成度。

37、（3）為氧化還原波動土-水界面、根際界面、沉積物-水界面活性氧介導(dǎo)有機(jī)磷降解效率提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

技術(shù)特征：

1.一種表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置，其特征在于，包括擴(kuò)散膜（8）、固定膜（9）和固定所述擴(kuò)散膜和固定膜的薄膜固定架，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置，其特征在于，所述含有有機(jī)磷的鐵氧化物來自于待測土壤或待測沉積物。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置，其特征在于，所述磷吸附劑選自la(oh)3、zro2或caco3的納米顆粒。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置，其特征在于，所述擴(kuò)散膜是由如下方法制備得到的：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置，其特征在于，優(yōu)選的，所述固定膜是由如下方法制備得到的：

6.一種使用權(quán)利要求1-5任一所述成像裝置表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的方法，其特征在于，包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟（1）中所述的還原性物質(zhì)來源于土壤或沉積物中的有機(jī)質(zhì)。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟（2）中所述的活性氧來自于超氧化鉀、過氧化氫或過氧化氫和硫酸亞鐵的反應(yīng)。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟（2）中所述的反應(yīng)的時(shí)間為24h。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟（3）中所述的顯色劑為鉬酸鹽和抗壞血酸的混合溶液。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種表征土壤沉積物中活性氧降解有機(jī)磷的成像裝置和方法，所述成像裝置包括擴(kuò)散膜、固定膜和薄膜固定架，擴(kuò)散膜貼合設(shè)置于固定膜的上方，擴(kuò)散膜為瓊脂糖凝膠形成的薄膜，其內(nèi)分散有含有有機(jī)磷的鐵氧化物顆粒；固定膜為第二凝膠形成的薄膜，其內(nèi)分散有磷吸附劑，第二凝膠為瓊脂糖凝膠或聚丙烯酰胺和瓊脂糖的交聯(lián)凝膠。本發(fā)明擬通過構(gòu)建二維成像凝膠薄膜，利用含有有機(jī)磷的鐵氧化物顆粒，通過成像方式表征鐵氧化物界面生成的活性氧降解游離態(tài)和吸附態(tài)有機(jī)磷效率差異。成像控制精度控制在亞毫米范圍。本發(fā)明裝置可以表征土壤和沉積物中鐵礦還原釋放有機(jī)磷過程，最大程度再現(xiàn)了活性氧介導(dǎo)有機(jī)磷動態(tài)降解微觀規(guī)律。

技術(shù)研發(fā)人員：趙國強(qiáng),李財(cái),徐華成
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9