大葉梔子對PM2.5的凈化與生理響應(yīng)

姜鈺瑋，陳珍，朱凱旋

(臺州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 浙江省植物進(jìn)化生態(tài)學(xué)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 臺州 318000)

1 材料與方法

1.1 材料

大葉梔子(GardeniajasminoidesEllis var. grandiflora Nakai.)盆栽購于花卉市場，四年生(圖1)，茜草科，常綠灌木，葉片革質(zhì)，葉表面有明顯的凹陷深溝。紅葉石楠(Photinia×fraseriDress)和錦繡杜鵑(RhododendronpulchrumSweet)，與大葉梔子植株高度一致，由校園綠化區(qū)移栽，在實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)一個月后用以實(shí)驗(yàn)。紅葉石楠，薔薇科，常綠灌木，葉片革質(zhì)，葉表面無毛，覆蓋蠟質(zhì)層，表面較光滑，褶皺少。錦繡杜鵑，杜鵑花科，常綠灌木，葉表面粗糙，被微柔毛和糙伏毛，布滿溝狀組織。實(shí)驗(yàn)時為避免基質(zhì)的干擾，以保鮮膜包裹花盆。

圖1 供試的大葉梔子

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計

參照梁丹等[17]的氣室模擬裝置制作原理，自制試驗(yàn)裝置：由4個60 cm×60 cm×60 cm的正方體玻璃裝置組成，各氣室間用軟管相連，軟管長度與孔徑一致(圖2)。玻璃裝置A作為氣體發(fā)生裝置，內(nèi)置PM2.5產(chǎn)生原料和鼓風(fēng)裝置；B、C和D為接收PM2.5的熏氣裝置；各裝置出口與軟管相連處貼上0.45 μm的專用濾膜。

圖2 試驗(yàn)裝置的設(shè)計情況

1.2.2 PM2.5產(chǎn)生原料

根據(jù)PM2.5的主要組分，在試用了香煙、蚊香、煤炭、木炭和蠟燭等原料的基礎(chǔ)上，根據(jù)PM2.5檢測儀(希瑪AR830，量程1～1 000 μg·m-3)監(jiān)測燃燒20 g上述各種物質(zhì)所產(chǎn)生的PM2.5濃度變化情況，確定產(chǎn)生PM2.5的最佳原料配比V(煤炭)∶V(蠟燭)∶V(香煙)為20∶10∶1。

1.2.3 試驗(yàn)處理

3種植物滯塵分析：將大葉梔子、紅葉石楠和錦繡杜鵑盆栽葉片擦拭干凈后分別裝入氣室中，燃燒煤炭/蠟燭/香煙以產(chǎn)生PM2.5，通過鼓風(fēng)裝置將煙霧通入各氣室。12 h后取出盆栽，分別在植株的上、中、下各部位隨機(jī)摘取葉片20片，盡量減少葉片抖動，用萬分之一的天平稱得葉片總質(zhì)量W1，然后用潔凈紗布將葉片表面擦拭干凈，再次稱重得W2，兩次稱量的差值可近似當(dāng)作葉片的總滯塵量W[18]。再用葉面積掃描儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，YMJ-B)測定葉表面積，進(jìn)而求出單位葉面積的滯塵量(g·m-2)。重復(fù)3次。

大葉梔子對PM2.5的凈化與生理響應(yīng)：上午10:00，試驗(yàn)裝置的A室中各原料燃燒產(chǎn)生PM2.5；B室放置大葉梔子且通入PM2.5；C室作為對照，軟管出口處封住，僅放置大葉梔子而不通PM2.5；D室僅通入PM2.5而未放置植物。每隔1 h用PM2.5檢測儀測定B、C和D中PM2.5濃度，連續(xù)測定24 h。取出大葉梔子，測定葉片生理指標(biāo)。各處理重復(fù)3次。

1.2.4 生理指標(biāo)測定

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示，每個處理重復(fù)3次以上。用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(LSD法)或兩樣本間獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大葉梔子的滯塵能力

大葉梔子、紅葉石楠和錦繡杜鵑均可在一定程度上吸附模擬產(chǎn)生的大氣顆粒物，其單位面積滯塵量分別為(4.318±0.147)、(1.658±0.0812)、(3.380±0.050)g·m-2。其中，大葉梔子的滯塵能力最強(qiáng)，其單位葉面積的滯塵量分別為錦繡杜鵑和紅葉石楠的1.3和2.6倍，差異顯著(P<0.05)。

2.2 大葉梔子對PM2.5的凈化作用

在密閉氣室中，PM2.5檢測儀有一定的讀數(shù)，一開始為82 μg·m-3，24 h后降到了6 μg·m-3(圖3)。當(dāng)人為添加PM2.5后，PM2.5濃度迅速升高至大于999 μg·m-3，隨時間的延長可能隨著顆粒物的沉降，PM2.5檢測儀讀數(shù)逐漸下降，至24 h，濃度為288 μg·m-3。而放置大葉梔子的氣室中，PM2.5濃度下降較快，在8 h時就降到了300 μg·m-3以下，至16 h，降到50 μg·m-3以下，符合一級空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。到24 h，僅剩12 μg·m-3。進(jìn)一步證實(shí)了大葉梔子具有較強(qiáng)的PM2.5凈化能力。

圖3 24 h內(nèi)大葉梔子對PM2.5的凈化

2.3 PM2.5處理對大葉梔子生理指標(biāo)的影響

2.3.1 葉綠素含量

PM2.5處理24 h，大葉梔子表型未發(fā)生明顯變化。而葉綠素a含量與未經(jīng)PM2.5處理相比下降了29.4%，差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。葉綠素b含量也顯著下降(圖4)。但葉綠素a/b值卻顯著升高。

**和*分別表示同一生理指標(biāo)處理前后的差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)和顯著水平(P<0.05)圖4 PM2.5處理對大葉梔子葉綠素a和b含量 及比值的影響

2.3.2 活性氧產(chǎn)生與膜脂過氧化

圖5 PM2.5處理對大葉梔子MDA含量和產(chǎn)生速率的影響

2.3.2 抗氧化酶活性

PM2.5脅迫下，大葉梔子SOD和POD活性在24 h時略有增加，但差異不顯著(圖6)。CAT和APX活性均有顯著升高，可清除體內(nèi)的H2O2。

圖6 PM2.5處理對大葉梔子抗氧化酶活性的影響

3 討論

近年來，灰霾天氣日益增多，嚴(yán)重影響大氣環(huán)境質(zhì)量和人體健康。周曙東等[26]認(rèn)為PM的排放源主要包括生活源、工業(yè)源、機(jī)動車源和集中式污染治理設(shè)施源等。生活源中，煤炭燃燒消費(fèi)量是PM2.5劇增的主要原因。工業(yè)用煤和冬季取暖是煤炭消費(fèi)的主要方式。煤炭的灰分主要由Si、Al和不定量的C、Fe、Ca、Mg、K、Na及S等組成，這些也是霧霾的重要組分[27]。SO2、氮氧化物和煙塵的主要來源為煤炭消費(fèi)，CO則來自煤炭的不完全燃燒，它們均與PM2.5之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[25]。香煙煙霧是室內(nèi)PM2.5的主要污染源之一，其成分復(fù)雜，含4 000余種物質(zhì)，包括尼古丁、CO、多環(huán)芳烴、揮發(fā)性有機(jī)復(fù)合物、亞硝酸胺、可吸入顆粒物和毒性重金屬等[12, 27]。蠟燭助燃。因此我們選取煤炭、香煙和蠟燭燃燒作為PM2.5的室內(nèi)產(chǎn)生方式。

園林植物可擋風(fēng)降塵，吸附或滯留顆粒物，減輕霧霾污染，生態(tài)效益日益凸顯[10]。國內(nèi)外對各種園林植物的滯塵能力進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，并揭示葉表結(jié)構(gòu)如粗糙程度、溝槽寬度與深度、氣孔密度及蠟質(zhì)層等是影響植物滯塵能力的重要因素[13-16]。錦繡杜鵑葉表面粗糙，布滿溝狀組織，被微柔毛和糙伏毛，故其滯塵能力大于紅花檵木和火棘[28-29]。本實(shí)驗(yàn)中，大葉梔子葉脈明顯，溝槽深淺適中，滯塵能力顯著強(qiáng)于紅葉石楠和錦繡杜鵑。可見，大葉梔子無論是作為綠化帶還是室內(nèi)盆栽，均可有效滯留空氣中的PM2.5，凈化空氣。

綜上，大葉梔子可有效凈化空氣中的PM2.5，且PM2.5的滯留會在一定程度上影響植物的光合作用，但短期內(nèi)并未對植物造成嚴(yán)重的氧化脅迫。提示大葉梔子在城市園林美化、綠化和室內(nèi)空氣凈化中，具有重要的生態(tài)意義和應(yīng)用價值。