二氧化鈦納米溶膠對空氣污染脅迫下海芋生理特性及環(huán)境效應(yīng)分析

摘要：為了探討納米材料對空氣污染脅迫下植物生理響應(yīng)及環(huán)境效應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，以海芋［Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ（Ｌｉｎｎ．）Ｓｃｈｏｔｔ］為試驗材料，研究了納米材料對城市綠化植物的抗逆性、光合作用等生理指標(biāo)及凈化污染空氣效應(yīng)的影響；研究了二氧化鈦納米溶膠對模擬酸雨脅迫下葉片葉綠素相對含量、光合作用日變化以及葉綠素?zé)晒馓匦缘鹊挠绊憽＝Y(jié)果表明，海芋具備一定的凈化尾氣污染能力。二氧化鈦納米溶膠預(yù)處理（０．２％～０．８％）后，能有效提高海芋在改善環(huán)境空氣質(zhì)量中的評價指數(shù)，減少空氣的含菌量。同時，納米材料處理能減輕污染空氣下的植物葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性，降低膜脂過氧化水平，增加葉綠素含量，從而提高葉片的抗逆性。在空氣污染脅迫下，海芋葉片的“光合午休”現(xiàn)象加重，日均凈光合速率（Ｐｎ）、氣孔導(dǎo)度（Ｇｓ）和蒸騰速率（Ｔｒ）均明顯降低，而細(xì)胞間隙ＣＯ２濃度（Ｃｉ）增大；經(jīng)過納米材料預(yù)處理后，Ｐｎ、Ｇｓ和Ｔｒ能不同程度地增加，而Ｃｉ降低，其中以０．４％濃度預(yù)處理下的效果最好；可見二氧化鈦溶膠預(yù)處理能夠不同程度地緩解空氣污染脅迫下非氣孔因素引起的海芋葉片光合速率的下降，降低對光合系統(tǒng)的破壞作用，提高脅迫下的光合能力。試驗同時對納米光觸媒與植物觸媒交互作用的機(jī)理進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：納米材料；二氧化鈦溶膠；海芋；生理特性；空氣污染

中圖分類號：ＴＢ３８３；Ｓ６８２．３６；Ｑ９４５．７８ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）08－1628-06

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ＴｉＯ２ Ｎａｎｏｓｏｌ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ under Urban Air Pollution Conditions

ＮＩＥ Ｌｅｉ１，２

（１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０４０５， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｎｄｓｃａｐｅ Ｇａｒｄｅｎｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０４０５， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＴｉＯ２ ｓｏｌ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｎ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐｌａｎｔ Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ（Ｌｉｎｎ．） Ｓｃｈｏｔｔ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ Ａ． ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ ｃｏｕｌｄ ｐｕｒｉｆｙ ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｏｆｆ－ｇａｓｅｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔ． ＴｉＯ２ ｓｏｌ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｏｕｌｄ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐｌａｎｔ． Mｅａｎｗｈｉｌｅ， ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｏｕｌｄ ｅｎｒｉｃｈ ｔｈｅ ｌｅａｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｒｅｄｕｃｅ ｃｙｔｏｐｌａｓｍ ｍｅｍｂｒａｎｅ permeability， ｄｅｃｒｅａｓｅ ｌｉｐｉｄ ｐｅｒｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｕｎｄｅｒ ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， and ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ． Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｍｉｄｄａｙ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ of leaf aggrawated． Ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ａｖｅｒａｇｅ ｎｅｔ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｒａｔｅ （Ｐｎ）， ｓｔｏｍａｔａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ（Ｇｓ） ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ （Ｔｒ） ｗｅｒｅ ａｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ； ｗｈｉｌｅ ｉｎｔｅｒｃｅｌｌｕｌａｒ ＣＯ２ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ （Ｃｉ） ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｂｙ ｔｒｅａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＴｉＯ２ ｓｏｌ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（０．２％～０．８％），Ｐｎ，Ｇｓ ａｎｄ Ｔｒ ｗｅｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｔｅｎｔ； ｗｈｉｌｅ Ｃｉ ｗａｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ in ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ of ０．４％ ＴｉＯ２ sol ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ photocatalyst ａｎｄ ｐｈｙｔｏｃａｔａｌｙｓｔ ｏｎ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ； ＴｉＯ２ ｓｏｌ； Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ（Ｌｉｎｎ．）Ｓｃｈｏｔｔ； ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ

近年來，我國部分地區(qū)如珠江三角洲等地，區(qū)域性大氣污染問題日益凸顯，在城市空氣污染日趨嚴(yán)重情況下，城市綠化植物的生長狀況普遍較差，不但難以發(fā)揮凈化環(huán)境的功效，而且自身也無法生存［１］。自１９７２年本田－藤島效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，以二氧化鈦（ＴｉＯ２）為代表的光半導(dǎo)體材料的應(yīng)用研究，已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展。研究表明，納米級的ＴｉＯ２半導(dǎo)體顆粒表面在光激發(fā)狀態(tài)所生成的超氧陰離子和氫氧自由基等活性氧類物質(zhì)，具有很強(qiáng)的光氧化活性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于空氣凈化、水處理、環(huán)境衛(wèi)生與保護(hù)、殺菌消毒、農(nóng)產(chǎn)品貯藏與保鮮、建筑等技術(shù)領(lǐng)域［２］。然而，有關(guān)納米ＴｉＯ２光半導(dǎo)體材料對植物生理、包括光合作用影響方面的國內(nèi)外文獻(xiàn)報道較少。本文通過在城市綠地植物上應(yīng)用納米ＴｉＯ２溶膠試驗，探討了納米材料對城市綠化植物海芋［Ａｌｏｃａｓｉａ ｍａｃｒｏｒｒｈｉｚａ（Ｌｉｎｎ．）Ｓｃｈｏｔｔ］的光合作用等生理特性及凈化污染空氣效應(yīng)的影響，以期為納米ＴｉＯ２半導(dǎo)體材料在城市綠化植物的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

１材料與方法

１．１樣地概況

于２００９年６～７月，在廣州市廣園快速路旁的廣州市園林科學(xué)研究所苗圃（Ｅ １１３°１６′２７″，Ｎ ２３°０９′４４″）選擇樣地，樣地環(huán)境空氣污染嚴(yán)重，污染類型為尾氣污染，主要污染物為氮氧化合物、碳?xì)浠衔铩⒁谎趸肌U等。

１．２材料

供試材料為天南星科（Ａｒａｃｅａｅ）海芋屬［Ａｌｏｃａｓｉａ（Ｓｃｈｏｔｔ）Ｇ． Ｄｏｎ］的海芋，苗齡約２年，以盆栽形式種植，常規(guī)水肥管理，分別放置在廣園快速路旁（＜５ ｍ）及距離道路較遠(yuǎn)（＞１００ ｍ）、環(huán)境良好的大棚內(nèi)培養(yǎng)，時間在３個月以上。納米ＴｉＯ２光半導(dǎo)體材料系采用日本光鈦?zhàn)又晔綍缟a(chǎn)的Ｐｏｎａｔｉｏｎ銳鈦礦型二氧化鈦溶膠，其納米二氧化鈦含量為１．５％，銳鈦晶含量≥９９％，納米二氧化鈦粒徑小于５ ｎｍ，ｐＨ值在２～３之間，外觀為藍(lán)色半透明溶膠，對人畜安全無害、無腐蝕性，具有良好的成膜和附著性能。

１．３試驗設(shè)計

試驗在樣地上設(shè)置８種處理，分別是Ｄ０（大棚環(huán)境內(nèi)海芋葉面噴施清水，作為大棚對照）、Ｄ１（大棚環(huán)境內(nèi)海芋葉面噴施０．２％納米ＴｉＯ２溶膠）、Ｄ２（大棚內(nèi)海芋葉面噴施０．４％納米ＴｉＯ２溶膠）、Ｄ３（大棚內(nèi)海芋葉面噴施０．８％納米ＴｉＯ２溶膠）和Ｌ０（路旁環(huán)境的海芋葉面噴施清水，作為路旁對照）、Ｌ１（路旁環(huán)境的海芋葉面噴施０．２％納米ＴｉＯ２溶膠）、Ｌ２（路旁海芋葉面噴施０．４％納米ＴｉＯ２溶膠）、Ｌ３（路旁海芋葉面噴施０．８％納米ＴｉＯ２溶膠）。每處理設(shè)置２０盆海芋，用去離子水分別配制不同濃度（０．２％～０．８％，ｐＨ值６．２～６．４）的納米ＴｉＯ２溶膠溶液，現(xiàn)用現(xiàn)配。于２００９年６月２３～２５日連續(xù)３ ｄ，在當(dāng)日的１７∶００左右，對植物材料采用噴霧器進(jìn)行葉面噴施，每次均噴至葉片滴液為度，每盆每次噴灑量為５００ ｍＬ，對照噴施等量的去離子水。

１．４測定方法

１．４．１部分植物生理指標(biāo)測定葉片光合色素含量按照文獻(xiàn)［３］的方法測定；葉片丙二醛（ＭＤＡ）含量的測定采用硫代巴比妥酸法［４］測定；細(xì)胞膜透性用相對電導(dǎo)率表示，采用電極法［３］測定；根系活力采用氯化三苯基四氮唑法［５］測定。

１．４．２光合作用日進(jìn)程的測定納米ＴｉＯ２溶膠處理結(jié)束后的第三天（晴天），對試驗標(biāo)記的葉片進(jìn)行測定，采用美國Ｌｉ－ＣＯＲ６４００便攜式光合測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)葉室，在自然條件下測定標(biāo)記范圍內(nèi)上數(shù)第三片葉的凈光合速率（Ｐｎ）、大氣ＣＯ２濃度（Ｃａ）、細(xì)胞間隙ＣＯ２濃度（Ｃｉ）、氣孔限制值（Ｌｓ，為１-Ｃｉ／Ｃａ計算所得）、蒸騰速率（Ｔｒ）、氣孔導(dǎo)度（Ｇｓ）等光合指標(biāo)。測定時間為８∶００～１８∶００，每隔２ ｈ測定１次，連續(xù)測定３ ｄ。

１．４．３環(huán)境空氣質(zhì)量評價指數(shù)的測定采用ＤＬＹ－３型空氣離子測定儀測定群落環(huán)境空氣中的正、負(fù)離子濃度，參照日本空氣凈化協(xié)會采用的安培空氣質(zhì)量評價指標(biāo)進(jìn)行評價，其公式為Ｃｉ＝ｎ－／１ ０００ｑ，式中，Ｃｉ為空氣質(zhì)量評價指數(shù)，ｎ－為空氣負(fù)離子濃度，ｑ為單極系數(shù)（空氣中正離子與負(fù)離子之比）［６］。

１．４．４環(huán)境空氣含菌量的測定按照文獻(xiàn)［７］的配方，配制真菌、細(xì)菌、酵母菌和放線菌綜合培養(yǎng)基。將暴露在群落空氣中取了菌樣的培養(yǎng)皿倒轉(zhuǎn)，置于３０℃恒溫箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)２５ ｈ后檢查細(xì)菌菌落數(shù)，培養(yǎng)３６ ｈ后檢查霉菌菌落數(shù)，培養(yǎng)７２ ｈ后檢查放線菌菌落數(shù)。計算每立方米空氣中的微生物菌落數(shù)，計算公式為５ ０００ Ｎ／Ａ·Ｔ，式中，Ａ為培養(yǎng)皿的面積（ｃｍ２）；Ｔ為培養(yǎng)基暴露在空氣中的時間（ｍｉｎ）；Ｎ為培養(yǎng)皿中的菌落平均數(shù)，計算結(jié)果單位表示為ｎ／ｍ３。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用ＤＰＳ數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行Ｄｕｎｃａｎ’ｓ多重比較檢驗，試驗數(shù)據(jù)表述為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”。

２結(jié)果與分析

２．１納米ＴｉＯ２溶膠對海芋生理指標(biāo)的影響

納米ＴｉＯ２溶膠處理對海芋生理指標(biāo)的影響結(jié)果見圖１，由圖１Ａ可知，與大棚對照（Ｄ０）相比，在空氣污染條件下，路旁對照（Ｌ０）的海芋葉綠素相對含量下降了３１．２％。在納米ＴｉＯ２溶膠處理下，葉片的葉綠素相對含量有了顯著的升高；如在空氣污染（路旁）條件下，０．２％、０．４％、０．８％的納米ＴｉＯ２溶膠處理的葉片葉綠素相對含量分別比路旁對照增加了２８．１％、３２．７％和５１．０％；而在正常空氣條件（大棚）下，０．２％、０．４％、０．８％的納米ＴｉＯ２溶膠處理的葉片葉綠素相對含量分別比大棚對照增加了３３．３％、３０．２％和１４．４％。由此可見，外源納米溶膠處理明顯抑制了空氣污染脅迫下葉綠素含量的下降（Ｐ＜０．０５），其中以０．８％納米ＴｉＯ２溶膠處理的效果最為顯著。由此證明，納米材料處理能有效地保護(hù)葉片葉綠素的完整結(jié)構(gòu)，可防止葉綠素在空氣污染逆境下的加速降解。

噴施納米ＴｉＯ２溶膠１０ ｄ后，測定海芋的根系活力，結(jié)果（圖１Ｂ）發(fā)現(xiàn)，隨著噴施濃度的增加，根系活力呈上升趨勢，其中大棚條件下，０．８％納米ＴｉＯ２溶膠處理與大棚對照相比，根系活力增加了３６．５％；而在污染空氣下，０．４％納米ＴｉＯ２溶膠處理較路旁對照上升了２７．３％。

植物體內(nèi)的丙二醛（ＭＤＡ）是由于植物衰老或在逆境條件下受傷害，其組織或器官膜脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)而產(chǎn)生的，是衡量質(zhì)膜穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。ＭＤＡ含量增多，將導(dǎo)致膜的滲漏，從而使植物走向死亡，因此ＭＤＡ含量與植物逆境生理密切相關(guān)。ＭＤＡ是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一，對膜和許多生物功能分子均具有破壞作用，其在體內(nèi)的積累是活性氧自由基毒害作用的表現(xiàn)。從圖１Ｃ可見，大棚培養(yǎng)的海芋噴施納米ＴｉＯ２溶膠后，各處理與對照相比，葉片組織中的ＭＤＡ含量差異不顯著，說明納米ＴｉＯ２光催化產(chǎn)生的活性氧自由基對葉片細(xì)胞沒有破壞作用，葉片細(xì)胞仍然可保持較高的穩(wěn)定性。而在空氣污染條件下，０．２％和０．４％的納米ＴｉＯ２溶膠處理能明顯降低葉片ＭＤＡ的含量（Ｐ＜０．０５），而０．８％的納米ＴｉＯ２溶膠處理與對照差別不大。由此表明，適宜濃度的納米材料處理能明顯降低葉片的ＭＤＡ含量，從而有助于提高植株的抗逆性。

惡劣的尾氣污染條件下海芋生長不良，葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性偏高。而在納米ＴｉＯ２溶膠處理下，葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性較路旁對照顯著降低（Ｐ＜０．０５），在０．２％和０．４％納米ＴｉＯ２溶膠處理下，葉片的相對電導(dǎo)率僅為路旁對照的８１．４％和７８．５％（圖１Ｄ），而在０．８％納米ＴｉＯ２溶膠處理下，相對電導(dǎo)率卻有所上升（５．１％），說明適宜濃度的納米ＴｉＯ２溶膠處理有助于維持植物葉片細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，可抑制電解質(zhì)外滲造成的質(zhì)膜傷害。在正常空氣條件下，各納米ＴｉＯ２溶膠處理對于葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性的影響不顯著，差異最大的０．４％納米ＴｉＯ２溶膠處理的葉片細(xì)胞相對電導(dǎo)率較大棚對照下降了８．５％，變化趨勢與ＭＤＡ相似。

２．２空氣污染下納米ＴｉＯ２溶膠對海芋葉片光合參數(shù)日變化的影響

不同濃度納米ＴｉＯ２溶膠處理對海芋葉片光合參數(shù)日變化的影響結(jié)果見圖２，由圖２可知，與大棚對照相比，路旁對照的日均Ｐｎ、Ｇｓ、Ｔｒ均呈現(xiàn)出不同程度的下降，而Ｃｉ則有所增加。大棚對照的Ｐｎ日變化為不明顯的雙峰型，空氣污染條件下葉片Ｐｎ的日變化則表現(xiàn)為明顯的不對稱雙峰型，在１２∶００左右表現(xiàn)出明顯的“光合午休”現(xiàn)象。從圖２A可見，上午８∶００～１０∶００期間，Ｐｎ迅速增加，第一個高峰均出現(xiàn)在１０∶００左右，是全天Ｐｎ的最高值，其中大棚對照處理可達(dá)５．７５ μｍｏｌ／（ｍ２·ｓ），路旁對照也達(dá)到了４．８３ μｍｏｌ／（ｍ２·ｓ）；而在１０∶００以后Ｐｎ開始下降，１０∶００～１２∶００下降較快，１２∶００以后又出現(xiàn)緩慢回升，大棚對照和路旁對照在１４∶００再次達(dá)到高峰，此時的Ｐｎ分別為３．８５ μｍｏｌ／（ｍ２·ｓ）和３．２４ μｍｏｌ／（ｍ２·ｓ）。從不同處理Ｐｎ日均值變化來看，經(jīng)過納米ＴｉＯ２溶膠處理的可以緩解因空氣污染脅迫下光合速率的下降，Ｌ２和Ｌ３處理下的Ｐｎ甚至超過了大棚對照，其中以Ｌ３的效果最為明顯。Ｇｓ和Ｔｒ的變化曲線與Ｐｎ的變化趨勢基本一致（圖2B、圖2C）。在Ｃｉ的日進(jìn)程曲線中（圖2D），各處理在8∶００與１８∶００的Ｃｉ值最高，從8∶００～１０∶００ Ｃｉ值均呈下降趨勢；而從１４∶００～１８∶００，Ｃｉ值又呈上升趨勢。１０∶００與１４∶００的Ｃｉ值出現(xiàn)了兩個低谷，說明空氣污染脅迫增大了海芋Ｃｉ的最小值和日均值；而經(jīng)過納米ＴｉＯ２溶膠處理后，Ｃｉ日均值和最小值均降低。氣孔限制值Ｌｓ變化情況與Ｐｎ、Ｇｓ和Ｔｒ基本一致，在空氣污染脅迫下葉片Ｌｓ值降低，而在納米ＴｉＯ２溶膠處理下，葉片Ｌｓ值有所上升。

２．３納米ＴｉＯ２溶膠對海芋凈化污染空氣效應(yīng)的影響

海芋具備一定的凈化空氣污染、改善道路空氣質(zhì)量的能力。經(jīng)測定，樣地所在的廣園中路道路裸地的空氣負(fù)離子平均值僅為２５個/cm3，因汽車尾氣污染原因，空氣質(zhì)量評價指數(shù)Ｃｉ值僅為０．１０（圖３A）。種植海芋后，Ｃｉ值達(dá)到０．１５以上，空氣質(zhì)量有所改善。納米ＴｉＯ２溶膠處理植物葉片６ ｈ后測定，Ｃｉ平均值均有不同程度的升高，其中Ｌ２處理下的Ｃｉ值達(dá)到了０．２５。

道路旁海芋環(huán)境空氣中的含菌量達(dá)到２ ６５０個菌落／ｍ３（圖3B），較大棚條件下增加了５８．２％。參照北京市城區(qū)空氣微生物污染調(diào)查結(jié)果得出的空氣質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，已屬于重度污染區(qū)。而納米ＴｉＯ２溶膠處理能明顯降低空氣中的含菌量，與未經(jīng)納米ＴｉＯ２溶膠處理的路旁對照相比，０．２％、０．４％、０．８％的納米ＴｉＯ２溶膠處理后，空氣中的含菌量分別降低了１７．６％、２２．４％和１０．５％。

３討論

當(dāng)前我國大氣環(huán)境形勢非常嚴(yán)峻。尤其在珠江三角洲等發(fā)達(dá)地區(qū)，區(qū)域性大氣污染問題日趨凸顯，大中城市空氣污染開始呈現(xiàn)煤煙型和汽車尾氣復(fù)合型污染的特點(diǎn)，大氣污染治理的難度加劇。城市綠化植物作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起著極大的作用。綠化植物不僅能改善氣候、調(diào)節(jié)氣溫、增加濕度、平衡碳氧、減弱溫室效應(yīng)、美化環(huán)境，還能吸濾有害氣體、凈化空氣、吸附塵粒、殺菌，對大氣污染有明顯的凈化作用。然而隨著城市空氣污染日趨嚴(yán)重，城市綠化植物生長狀況普遍較差，在高強(qiáng)度的空氣污染逆境下，綠化植物不但難以發(fā)揮凈化環(huán)境的功能，甚至無法生存［８］。

納米科技是２１世紀(jì)的主流技術(shù)之一，納米ＴｉＯ２顆粒具有半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)半導(dǎo)體顆粒接受太陽光照射時，會發(fā)生光催化作用，價帶上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶生成高活性電子（ｅ－），在價帶上形成帶正電荷的空穴（ｈ＋），通過不斷的電荷分離，完成光能到電能的轉(zhuǎn)化。這一過程類似于綠色植物光合作用的原初反應(yīng)，被稱為“人工模擬光合作用”［９］。作為光合色素，葉綠素含量的降低是光合作用減弱的主要原因之一。納米ＴｉＯ２溶膠處理后抑制了受污染損傷的海芋葉片葉綠素含量的降低，緩解了葉片因傷害而出現(xiàn)的癥狀，其中以０．8％濃度的納米ＴｉＯ２溶膠處理后的效果最好，其緩解作用顯著。不過納米材料抑制空氣污染脅迫下葉綠素含量的下降，究竟是通過保護(hù)葉綠素免遭破壞，還是促進(jìn)其合成，具體機(jī)制尚待進(jìn)一步研究證實。

本試驗所用溶膠材料的主要活性物質(zhì)為銳鈦礦型納米ＴｉＯ２光半導(dǎo)體顆粒。試驗結(jié)果證明，納米ＴｉＯ２溶膠能促進(jìn)植物光合作用速率的增加。可以推測，當(dāng)紫外光照射在納米ＴｉＯ２顆粒上時，價帶的電子被紫外光所激發(fā)，躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子（ｅ－），經(jīng)過反應(yīng)產(chǎn)生氫，而在價帶形成一個帶正電的空穴（ｈ＋），并氧化水后產(chǎn)生氧，也就是在紫外線的作用下納米ＴｉＯ２顆粒能夠獨(dú)立光水解形成電子、質(zhì)子以及氧氣，這樣分解出來的電子、質(zhì)子，并行于植物光反應(yīng)階段的電子傳遞，由此提高光合作用的速率。本試驗結(jié)果與張萍等［１０］在黃瓜上的試驗及洪法水等［１１］用金紅石型ＴｉＯ２對菠菜光合作用中心的研究結(jié)果類似。

由試驗的凈光合速率日進(jìn)程可知，潔凈空氣條件下，海芋葉片的Ｐｎ呈不明顯的雙峰型，而在空氣污染脅迫下，各處理均表現(xiàn)出明顯的不對稱雙峰型，出現(xiàn)明顯的“光合午休”現(xiàn)象，說明空氣污染脅迫使海芋對高溫強(qiáng)光的適應(yīng)能力受到影響。影響“光合午休”的原因主要有兩種，一種是氣孔因素，即氣孔的關(guān)閉，Ｌｓ增大引起ＣＯ２供應(yīng)不足；另一種是非氣孔限制因素，即葉肉細(xì)胞光合活性降低引起同化力不足而限制了光合作用。根據(jù)Ｆａｒｑｕｈａｒ等的觀點(diǎn)，以及目前國內(nèi)外學(xué)者常用的光合速率降低分析方法［１２］，我們判斷引起葉片凈光合速率降低的主要原因，是當(dāng)Ｃｉ減小、Ｌｓ增大時，氣孔部分關(guān)閉。而當(dāng)Ｃｉ增加、Ｌｓ減小時，非氣孔限制成為光合下降的主要原因。從本研究中可以看出，在１２∶００海芋表現(xiàn)“光合午休”時，不同處理的Ｃｉ值均較１０∶００ Ｃｉ值有不同程度的提高，但是１２∶００ Ｌｓ值較１０∶００ Ｌｓ值均有一定程度的下降，說明海芋的“光合午休”是由空氣污染所導(dǎo)致的非氣孔因素引起的，這與付曉萍等的［１３］研究結(jié)果類似。從日變化整體看，空氣污染脅迫下葉片的日均Ｐｎ、Ｇｓ、Tr和Ｌｓ顯著降低，Ｃｉ顯著升高，也反映了空氣污染脅迫下海芋光合能力的下降主要由非氣孔因素即葉肉細(xì)胞的光合活性降低所致。納米ＴｉＯ２溶膠處理不同程度地提高了空氣污染脅迫下海芋葉片的Ｐｎ、Ｔｒ、Ｇｓ和Ｌｓ，而Ｃｉ顯著下降，說明納米ＴｉＯ２溶膠緩解了空氣污染脅迫造成的葉肉細(xì)胞光合活性的下降，提高了空氣污染脅迫下的海芋光合能力。較高的Ｇｓ說明具有較高的光合底物傳導(dǎo)能力，為葉片同化更多的光合產(chǎn)物提供了生理基礎(chǔ)，而Ｔｒ的提高增強(qiáng)了植株吸水及運(yùn)輸?shù)膭恿Γ欣谥仓旯夂献饔玫倪M(jìn)行和抗逆性的提高。

在城市主干道旁惡劣的尾氣污染環(huán)境下，海芋葉片的相對電導(dǎo)率和ＭＤＡ含量數(shù)值明顯偏高，葉綠素含量偏低，說明植株膜脂過氧化程度加劇，細(xì)胞膜的相對透性增加。而納米ＴｉＯ２溶膠處理對維持海芋葉片細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、降低膜通透性、保持葉綠素含量方面有較好的效果，能有效降低葉片自由基的積累，有助于維持植株細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性。納米ＴｉＯ２溶膠處理還可以增強(qiáng)植物的根系活力，這與葉片細(xì)胞氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的增加具有一定的相關(guān)性，可能是這三者共同的作用促進(jìn)了植株吸收水分能力的提高。總體而言，0.4%的納米ＴｉＯ２溶膠處理后，對提高海芋在空氣污染脅迫下的抗逆性、光合作用指標(biāo)及凈化污染空氣的效應(yīng)具有明顯的作用。

納米ＴｉＯ２溶膠對植物脅迫的調(diào)節(jié)可能具有兩重性，一方面低濃度對植物具有保護(hù)作用，另一方面納米ＴｉＯ２在太陽光照射下光催化產(chǎn)生活性氧自由基，當(dāng)自由基的量超過機(jī)體抗氧化系統(tǒng)的清除能力時，自由基會直接攻擊細(xì)胞膜系統(tǒng)，造成膜脂過氧化，使細(xì)胞膜透性增加。試驗結(jié)果證明，０．２％、０．４％、０．８％濃度的納米ＴｉＯ２光半導(dǎo)體溶膠處理大棚海芋植株后，與對照海芋植株相比，葉片組織中ＭＤＡ含量和膜滲透性變化不顯著，說明噴施納米ＴｉＯ２溶膠后活性氧并未對細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害，葉片細(xì)胞質(zhì)膜仍然保持較高的穩(wěn)定性［１４］。不過納米光觸媒產(chǎn)品在生物安全方面的效應(yīng)，尤其對植物安全性的影響，目前還不是很清楚。有研究表明，鋁納米顆粒有明顯的植物毒性，試驗發(fā)現(xiàn)未包被的鋁納米顆粒顯著抑制玉米、黃瓜、甘藍(lán)和紅蘿卜等植物根系的延長，而包被有菲（Ｐｈｅｎ）的鋁納米顆粒可以顯著減小這種抑制。原因是菲的包被破壞了納米顆粒表面本身具有的羥自由基，從而改變了納米材料的表面特性［１５，１６］。我們在濃度篩選初步試驗中發(fā)現(xiàn)，１．５％的納米ＴｉＯ２溶膠對于海芋有一定的負(fù)面影響，會出現(xiàn)葉片卷曲發(fā)黃直至枯萎，相關(guān)的機(jī)理有待進(jìn)一步的分析。同時，納米光觸媒處理植物葉片后，可有效提高海芋在改善環(huán)境空氣質(zhì)量方面的能力，其原因是由于植物觸媒與光觸媒之間存在加成效應(yīng)，還是納米材料通過提高植株抗逆性而進(jìn)一步發(fā)揮出植物的凈化污染能力，或者是兩者之間并無直接相關(guān)，而在各自發(fā)揮著自身的凈污能力，其機(jī)理還有待通過進(jìn)一步的探索和試驗分析來解釋。

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