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易科泰样芯分析技术应用案例(十一)

高分辨率高光谱成像研究Jaczno半混合湖全新世光养生物群落和缺氧动态

上一期《易科泰样芯分析技术应用案例》, 我们介绍了利用CORESCANNER X光芯体密度扫描成像与元素分析技术（XRF）和SPECIM样芯高光谱成像技术（HSI）研究厄瓜多尔火山灰的案例，本期将介绍利用XRF和HSI研究波兰东北部Jaczno半混合湖全新世光养生物群落和缺氧动态的案例。

淡水系统缺氧和混合方式改变在扩散传播是日益引起人们关注的主要环境问题，根据预测，未来的气候变化和人类影响将使水生生态系统日益恶化，对过去这种变化过程和驱动因素的研究可为将来预防和补救提供巨大助力。瑞士伯尔尼大学的研究人员使用多代理方法，将高分辨率高光谱成像（HSI）获得的色素数据、XRF数据与超高效液相色谱叶绿素和类胡萝卜素数据相结合，以研究波兰东北部Jaczno半混合湖全新世（1万年以内）营养状态变化和缺氧演变。研究结果发表于2020年《Biogeosciences》（Holocene phototrophic community and anoxia dynamics in meromictic Lake Jaczno (NE Poland) using high-resolution hyperspectral imaging and HPLC data）。

研究显示，9500年前，在盆地形成之后，Jaczno湖就具备了缺氧和硫化物条件；直到6700年前，湖泊的自养能力较低，浊度较高，并且在光养群落中绿色硫细菌（GSB）较为丰富，表明较深的有氧-缺氧边界和弱分层态；6700-500年前之间的时期特征是湖泊产量不断增加，并且从绿色硫细菌逐渐转变为紫色硫细菌（PSB），这表明有氧-缺氧边界更浅，分层明显，然而沉积物中的球状烯和精胺酮表明存在间歇性缺氧过程；500年前今，人类影响力逐渐增强，森林砍伐和集约化农业加剧了湖泊的富营养化，紫色硫细菌占据主导地位，性缺氧和半混合态开始建立，这项研究明确了人类对富营养化和缺氧过程的影响

XRF扫描通过伯尔尼大学实验室的ITRAX CoreScanner（铬管）进行，连续扫描步长为2mm（曝光时间20s，30kv，50mA），结果以计数（峰面积）的形式给出。从检测到的元素中，Ti用作流域侵蚀输入的替代物，Ca用作内生碳酸钙的替代物，Si / Ti用作生物硅的替代物，S、Fe、Mn和Mn / Fe用作表征氧化还原条件的替代物。

同时，研究人员还使用了Specim V10E传感器（光谱范围400-1000nm，光谱分辨率2.8nm），对刚采集的半芯样品进行高光谱成像扫描，后经ENVI软件分析处理得到其相对吸收波段深度（RABD）数据。其中RABD673（光谱范围590–730 nm）用于指示叶绿素及其成岩产物（TChl），代表该阶段水体可正常进行初级生产；而RABD845（光谱范围790–895 nm）用于指示细菌脱镁叶绿素a和b（Bphe），代表该阶段水体处于缺氧或半混合状态。由于紫色硫细菌和非硫细菌在有光照的厌氧条件下产生大量Bphe a和b，而绿色硫细菌产生的Bphe c、d和e未被RABD845光谱范围内吸收，因此基于高光谱数据推断的细菌脱镁叶绿素反映了水体中紫色细菌的含量。

这项研究显示出结合HPLC数据进行校准和验证的HSI测量的巨大潜力，而Jaczno湖提供了很理想的样芯，可以探索在自然分层的湖泊系统中，从小到极强烈的人类影响，可能导致湖泊混合，生产和持续的底部缺氧的变化机制。该研究，以及欧洲其它湖泊的相关研究，可以极大地扩展人类对这些主要环境问题的理解，同时为将来实施有效的技术修复提供可行性参考。

研究结果见下图：

ü 高分辨率样芯（芯体）扫描成像分析，全面反映二维密度/质地和化学成分分布

ü 岩矿样芯、海洋湖泊沉积样芯、树木年轮样芯等

ü RGB扫描成像与CT技术密度扫描成像

ü 高光谱扫描成像分析

ü XRF元素扫描分析

ü 高通量、非损伤

ü 可选配LIBS元素分析

Ø SisuROCK多样芯高通量高光谱成像扫描分析系统

Ø SisuSCS单样芯高光谱成像扫描分析系统

Ø SisuCHEMA高光谱成像分析系统

Ø SpectraScan高光谱成像扫描分析系统

Ø ITRAX CoreScanner样芯密度与元素扫描分析系统

Ø ITRAX XRF Scanner 岩矿/湖海样芯元素扫描分析系统

Ø ITRAX MultiScanner树木年轮分析系统

Ø VIS-NIR P4000土壤样芯理化性质勘测系统