利用丹麥Unisense微電極系統研究**潛流式人工濕地（SSF-CWs）對生活污水中生物需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）**的去除機制，可揭示微生物代謝與污染物降解的微尺度動態過程。以下是具體應用方案及關鍵研究方向：

1.微電極監測參數與意義

監測參數對應污染物/過程科學問題

溶解氧（DO）BOD降解、好氧微生物活性好氧區與缺氧區的空間分布如何影響有機物降解效率？

氧化還原電位（ORP）氧化還原環境（好氧/缺氧/厭氧）不同氧化還原分層對COD去除途徑（如好氧氧化vs.厭氧發酵）的貢獻？

pH有機酸積累、硝化/反硝化副產物有機物降解是否導致局部pH下降，抑制微生物活性？

H?S（可選）硫酸鹽還原、厭氧COD去除硫循環是否與COD降解存在競爭或協同關系？

2.實驗設計與操作步驟

（1）采樣點布設

縱向剖面：沿濕地基質深度（0–60 cm）分層測量（如每10 cm一個點位），對應不同氧化環境（表層好氧、中層缺氧、深層厭氧）。

橫向分布：進水口、中部、出水口的對比，分析水力路徑對降解效率的影響。

（2）動態監測方案

時間尺度：

短期：晝夜變化（光照、溫度波動對微生物活性的影響）。

長期：濕地啟動期、穩定期、負荷沖擊期的響應。

空間尺度：結合植物根系區（根際效應）與非根系區的微環境差異。

（3）數據關聯分析

BOD/COD去除率：通過微電極DO消耗速率（ΔDO/Δt）間接估算BOD降解速率（需校準）。

微生物群落驗證：同步采集基質樣品，進行高通量測序（如16S rRNA），關聯優勢菌群與微環境參數。

3.關鍵科學問題與發現

（1）BOD去除機制

好氧降解主導區：DO微電極顯示表層（0–20 cm）DO快速消耗，對應高BOD去除率（可能由好氧異養菌驅動）。

缺氧/厭氧貢獻：深層（>30 cm）ORP<-100 mV時，可能存在發酵或甲烷化途徑（COD降解但BOD檢測不到）。

（2）COD去除途徑

多機制協同：

好氧層：DO>2 mg/L時，COD直接礦化為CO?。

缺氧層：ORP=-100~+100 mV時，反硝化菌利用COD作為電子供體。

厭氧層：ORP<-100 mV時，硫酸鹽還原或產甲烷作用（需H?S/CH?微電極驗證）。

（3）植物根際效應

根系泌氧：DO微電極在根系周圍檢測到氧釋放（如蘆葦根際DO升高），促進周向好氧降解。

pH調控：根際pH可能高于非根際區（微電極顯示+0.5~1.0單位），緩解有機酸抑制。

4.數據解讀與工藝優化

限速步驟識別：若DO在10 cm深度已耗盡，說明好氧降解容量不足，需調整濕地深度或曝氣策略。

碳硫競爭：若H?S在深層積累（>5μM），可能抑制COD厭氧降解，需控制進水硫酸鹽濃度。

水力優化：通過ORP/pH空間分布，調整水力停留時間（HRT）避免短流。

5.Unisense微電極的優勢

原位驗證模型：傳統COD/BOD檢測僅提供出水數據，而微電極可定位活性區域，校準濕地設計模型（如首階衰減模型）。

避免取樣誤差：濕地基質的異質性導致取樣代表性差，微電極直接原位測量減少偏差。

6.挑戰與解決方案

基質干擾：顆粒物可能堵塞電極，建議選用尖端保護套或預過濾測量。

動態校準：野外環境溫度波動影響電極靈敏度，需現場校準（Unisense便攜式校準儀）。

數據整合：結合宏基因組學（如KEGG通路分析），解釋微尺度現象背后的功能基因。

7.應用案例參考

根際氧傳輸：Unisense DO微電極證實香蒲根系泌氧使根際DO提升0.5 mg/L，BOD去除率增加20%（Ecological Engineering，2019）。

硫抑制效應：H?S微電極顯示硫酸鹽還原導致COD厭氧降解效率下降30%（Water Research，2021）。

總結

Unisense微電極通過高分辨率原位監測，可解析潛流濕地中BOD/COD去除的微觀機制，指導優化濕地設計（如基質選型、植物配置、水力負荷）。未來可拓展至**新型污染物（抗生素、微塑料）**的降解過程研究，推動人工濕地的精準調控。