维路提拉空气凤梨叶表鳞片吸附大气颗粒物的研究

目录绪论1.1 空气凤梨的简介与特性. 3 1.2 实验背景 .31.3 实验目的与意义. 32 实验材料与方法2.1 材料处理 .32.2 大气颗粒物胁迫处理. .32.3 空气凤梨在颗粒物污染胁迫前后的光合特征. 42.4 叶内元素成分与含量分析. 42.5 叶表颗粒物分析.42.6 数据处理.43 结果与分析3.1 空气凤梨受颗粒污染物胁迫前叶绿素含量43.2 空气凤梨叶表元素含量及分析63.3 空气凤梨叶内颗粒物元素分析 73.4 空气凤梨叶表和叶内相关性分析.84 结论和讨论.9致谢. .11参考文献.121空气凤梨叶表鳞片在大气颗粒物吸收过程中的作用研究生态专业 戚琪指导教师 李鹏摘要：为研究植株叶表结构在大气颗粒物吸收过程中的作用，选择维路提拉空气凤梨做去除叶表鳞片处理，设置 3 个梯度，即鳞片全保留、1/2 叶片表面鳞片去除及鳞片全去除。通过比较鳞片的有无对其捕捉颗粒物的影响，阐明在大气颗粒物吸收过程中所起到的作用。结果表明，空气凤梨鳞片主要起到了吸附大气颗粒物的作用，而在叶片吸收颗粒物的过程中作用不明显。叶表鳞片除了吸附颗粒物外，在阻挡了化学元素过量吸收、保护叶片、减少水分散失等方面也起到了一定作用，鳞片的存在有利于光合作用，提高植株的成活率。关键词：空气凤梨；鳞片；大气颗粒物；吸收2Function of leaf epidermal trichomes of Tillandsia velutina on the absorption of atmospheric particulatesStudent majoring in ecology Qi QiTutor Li PengAbstract： In order to study the function of leaf epidermal structures on the absorption of atmoslheric particulates，we choose Tillandsia velutina with foliar trichomes as materials，.The trichomes of leaves were removed by hand to investigate the effects of the trichomes on the absorption of atmospheric particulates. Three different trichomes removal gradients were set，i.e. saved all of trichomes, removed the half of trichomes and removed all of trichomes. The results showed that Tillandsia trichomes mainly played the role of adsorption of atmospheric particulate matter, not in the absorption of particulate matter into the leaf blade. In addition，trichomes play an important role in stopping the excessive absorption of chemical elements, protecting the leaves and reducing moisture loss and so on. The existence of trichomes will be helpful for photosynthesis, enhancing the survival rate of plants.Key word: Tillandsia; trichomes; atmosphere; absorption31 绪论1.1 空气凤梨的简介和特性空 气 凤 梨 （ Tillandsia sp.） 是 生 存 于 空 气 中 ， 不 需 要 土 壤 即 可 生 长 ， 依 靠叶 片 吸 收 空 气 中 的 水 分 和 营 养 物 质 的 空 气 植 物 。 空 气 凤 梨 由 于 适 应 性 强 ， 便于 照 顾 ， 种 类 繁 多 ， 主要集中在凤梨科（Bromeliaceae）铁兰属（Tillandsia）中，包括 550 多个品种及 90 个变种 1，观 赏 价 值 高 ， 因 此 越 来 越 多 的 受 到 人们 的 关 注 ， 现已全世界广泛引种栽培 2。除 此 之 外 ， 空 气 凤 梨 生 存 于 空 气 中的 特 殊 性 ， 引 起 了 国 内 外 各 位 学 者 的 研 究 兴 趣 ， 并 在 许 多 方 面 取 得 了 进 展 。它 们 虽 然 有 真 正 的 根 ， 但 仅 起 到 固 定 植 株 及 进 行 少 量 气 体 交 换 的 作 用 ， 能 使之 附 着 在 岩 石 ， 树 木 或 沙 漠 中 。 而 真 正 吸 收 水 分 和 养 分 的 器 官 是 其 叶 片 表 面的 独 特 结 构 -鳞 片 3。 空 气 凤 梨 叶 表 鳞片是由三种细胞构成的，即翼状细胞，环状细胞，碟状细胞，这三种细胞各司其职，翼状细胞负责捕捉空气中的水分和营养物质，再由环状细胞到达碟状细胞，因为碟状细胞能通过柄状细胞与叶片内部的叶肉细胞相连，因此水分和营养物质就通过这条途径进入叶片内部 4。这种特殊的鳞片结构也能在空气中吸收污染物，所以空气凤梨是研究环境污染及控制污染的良好实验材料。1.2 实验的背景随着“雾霾”天气持续、大范围的暴发，控制颗粒物污染已成为当前大气污染治理的重中之重。控制颗粒物污染既需要从源头上控制直接排放的颗粒物和形成二次颗粒物的前体物（SO 2、NO x、VOC 和 NH3 等） 5，也要加大力度研发各种颗粒物的捕集新技术、新设备，推广新型、实用、经济的污染治理技术6。研究表明，颗粒物最容易撞击并滞留在湿润、粗糙或带电的表面上 7。因此，植物的叶片凭借其表面具有一定的湿润度和粗糙度，非常适合颗粒物的沉积 89。不同的植物具有不同的滞留颗粒物能力，植物自身的形态学特征，如树冠结构、枝叶密度等都会对颗粒物的沉降量造成影响 10，而与大气直接接触的植物叶片对颗粒物沉降的影响更为直接和强烈。叶片的大小、粗糙程度及上下表皮具有毛的形状、数量是造成滞留颗粒物能力差异的主要原因 1112。因此，研究叶片表面粗糙的植物捕捉颗粒物的效果和机制，不仅可将其直接应用于自4然环境中对大气污染物的有效净化，而且从仿生学角度说，也能促进高效捕捉大气颗粒物相关技术和设备的研究和发展。1.3 实验的目的与意义大气中的颗粒物来源复杂、组成复杂多变，K、Ca 、Na、Mg、Al、Fe 、Cu、Zn、Cd、Pb、NO 3 、SO 42 、NH 4+、Cl 、PAH 等各种各样的有机组分、无机组分、水溶性离子成分和痕量元素均可以包含其中 13-16。而对空气凤梨的研究已表明，做为常用的大气污染指示植物，空气凤梨对以上所述多种成分（包括无机成分与有机成分）均可以有效捕获和吸收 1718。从理论上讲，做为覆盖在空气凤梨叶片表面的“特殊结构”，鳞片在接触空气中飘浮的颗粒时，也能像吸收水分和养分一样，先通过长长的翼状细胞捕捉，然后部分成分通过环状细胞、碟状细胞和柄状细胞而进入到叶片内部。鳞片的存在不仅对叶片有保护作用，更增加了叶片的表面积和粗糙度，势必会增加对大气中颗粒物的捕捉能力。本实验拟选择特殊植物类群空气凤梨为研究对象，将其暴露于大气颗粒物污染环境中，通过人工鳞片去除技术，比较鳞片的有无对其捕捉颗粒物的影响，阐明大气颗粒物吸收过程中所起到的作用。为人们选择更有效的净化大气污染植物种类提供理论依据，也为促进高效捕捉大气颗粒物相关设备和技术的研发提供智力支持。2 材料与方法2.1 材料处理实验使用维路提拉空气凤梨，选取 15 株生长健康、大小相似的植株，每组 5株，分为 3 组，分别编号为 ABC。用游标卡尺测每株的直径大小、叶长和叶宽，用叶面积仪测其叶面积，用 1/1000 天平称其鲜重。用胶带粘附叶片的上表面和下表面 5-6 次，去除其叶表鳞片，力度不宜过大，保证植株的完整，反复操作直至鳞片去除为止。A 组为对照组，叶片表面不去除鳞片； B 组去除叶片 1/2表面积上覆盖的鳞片，C 组去除叶表全部鳞片。空气凤梨叶片上尖下宽，整体呈三角形，可通过叶长和叶宽计算 1/2 面积或通过叶面积仪直接测量。2.2 大气颗粒物胁迫处理5本研究主要目的为检测空气凤梨叶表鳞片对颗粒物的滞留与吸收能力，因此，只要保证不同处理的植株受到的颗粒物污染浓度相同即可。为操作简便及更有利于反映自然情况，拟将空气凤梨直接置于实际环境中进行检测。一般认为，15mm 的降雨量就可以冲洗掉植物叶片表面的降尘，将植物置于大气中，以 7-10 天为采样时间间隔期，就可以满足对试验数据收集的要求 19。因此，拟将空气凤梨喷洒去离子水，冲掉叶片上原有尘土。然后置于不受降雨影响环境中 10-15 天（如室内或半开放室外环境中），使其重新附着颗粒物。2.3 空气凤梨在颗粒物污染胁迫前后的光合特征使用叶绿素仪测定叶绿素含量。使用光合仪测定净光合速率(Pn) 、蒸腾速率(Tr)、叶片水分利用率(WUE)等。2.4 叶内元素成分与含量分析使用湿法消解处理空气凤梨的叶片。首先用天平准确称取凤梨成熟叶片 2.0g，放在恒温干燥箱中，将温度调至 105 摄氏度杀青 30 分钟，再使叶片在 50 摄氏度下恒温干燥至恒重。之后用剪刀尽可能的将叶片剪碎，然后称取 0.2g 的叶片放入长颈圆底烧瓶中，在烧瓶中加入浓硝酸和高氯酸溶液，比例为 3：1，进行消解。消解后的溶液倒进 25mL 的容量瓶中，定容。使用电子耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)分析叶内的 Al3+、Fe 2+、Na +、Ca +、Na 2+、Pb 2+、Mg 2+等多种阳离子的质量浓度。2.5 叶表元素成分与含量分析使用湿法消解处理叶表上的颗粒物。将三组空气凤梨上的所有灰尘颗粒全部刮下，倒入长颈圆底烧瓶中，在烧瓶中加入浓硝酸和高溶液，比例为 3：1，进行消解。消解后的溶液倒进 25mL 的容量瓶中，定容。使用电子耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)分析叶内的 Al3+、Fe 2+、Na +、Ca +、Na 2+、Pb 2+、Mg 2+等多种阳离子的质量浓度。2.6 数据处理实验数据用 Excel 和 SPSS 18.0 统计软件进行分析。3 结果与分析3. 1 空气凤梨受颗粒污染物胁迫后光合特征3.1.1 空气凤梨灰尘胁迫前后叶绿素含量6每一株空气凤梨随机选择三片叶子，用叶绿素仪测量其灰尘胁迫前后叶绿素含量，并求取每一株空气凤梨的平均叶绿素含量，如图 1。aa bb010203040506070胁 迫 前 胁 迫 后SPADAC注：不同英文小写字母表示差异显著图 1 空气凤梨灰尘胁迫前后叶绿素含量柱状图根据图 1，通过 A 组和 C 组灰尘胁迫前后两次的叶绿素测定比较，明显看出空气凤梨受灰尘胁迫前和受胁迫后，叶表鳞片全保留的 A 组五株空气凤梨的平均叶绿素含量都高于叶表鳞片全去除的 C 组，胁迫前 A 组的叶绿素含量为40.5937.332SPAD，C 组为 38.5535.667SPAD，胁迫后 A 组的叶绿素为37.27311.745SPAD，C 组的为 34.8137.744SPAD，说明空气凤梨叶表鳞片的存在有利于植株叶绿素的生成，有利于光合作用，所以叶表鳞片全保留的 A 组空气凤梨的生长状况更加良好，叶表鳞片保护植株叶片的作用能更有效的抵御灰尘等大气颗粒物的胁迫。从数据中可以发现空气凤梨灰尘胁迫后的平均叶绿素含量低于胁迫前的含量，说明叶表鳞片能有效保护叶片，减少环境中不利因素的影响。3.1.2 空气凤梨胁迫后光合指标使用 Li-6400 便携式光合仪测得 ABC 三组的净光合速率、蒸腾速率和叶片水分利用率，每株空气凤梨随机抽取 2 个叶片测试，然后进行数据分析，如表1。表 1 空气凤梨灰尘胁迫后光合指标净光合速率（mol(m -2s)）蒸腾速率（g/( m -2s)） 水分利用率（g/kg）A 组 0.3200.271a 0.1050.041b 3.1982.654a7B 组 -0.1300.130b 0.1440.079b -1.0770.858bC 组 0.0200.228ab 0.1420.024b 0.1451.990abA 组：叶表鳞片全保留 B 组：叶表鳞片半保留 C 组：叶表鳞片全去除 不同小写英文字母表示显著性通过上表，A 组的净光合速率最大，蒸腾速率最小，水分利用率也最高，而C 组相反。空气凤梨叶表鳞片的存在有利于植株光合作用，去除叶表鳞片使得蒸腾速率增加，加速植株内部水分的散失，水分利用率降低，显然不利于植株的生长。3.2 空气凤梨叶表颗粒物元素含量分析使用电子耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)分析叶内的Al3+、 Fe2+、 Na+、Ca +、Na 2+、Pb 2+、Mg 2+等多种阳离子的质量浓度。将叶表的主要元素和相对含量绘制成表，如表 2。表 2 空气凤梨叶表颗粒物元素含量A（g/g） B（g/g ） C（g/g ）Al 15756.3 21445 17884.9Ca 12120.1 13996.4 32995.8Cr 41288.3 60428.4 32713.5Cu 43352.7 65737.6 11662.8Fe 14218.4 27146.4 1466.49K 4404.08 5166.87 6937.01Mg 3500.52 4765.67 7993.9Mn 321385 396813 31452Na 9877.12 5097.22 90084.4Ni 29053.9 30612.3 199.08Pb 19544.8 31586.6 17190.4Si 19381.8 6439.45 295353Ti 943533 1256290 178466V 14602.9 22862.7 4456.99Zn 1065430 1003110 194920注：A 组：叶表鳞片全保留 B 组：叶表鳞片半保留 C 组：叶表鳞片全去除80200000400000600000800000100000012000001400000Al Ca Cr Cu Fe K Mg Mn Na Ni Pb Si Ti V ZnA B C图 2 三组空气凤梨叶表颗粒物元素含量对比通过表 2，可以得出，Mn，Ti，Zn 三种元素 A 组远高于 C 组，而 Na，Si两种化学元素 C 组明显高于 A 组。A 组空气凤梨叶表总共有 9 种化学元素的含量是高于 C 组的，尤其是在 A 组空气凤梨叶内颗粒物中 K 的含量为 0，而在叶表 K 的含量为 4404.08mg/kg，这更加证明了空气凤梨的叶表鳞片可以起到阻挡大气中重金属颗粒物的作用。3.3 空气凤梨叶内元素含量及分析对 A，B，C 组的空气凤梨随机选取叶片进行消解，用电子耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)分析叶片内部的多种阳离子的质量浓度，绘制成表，如表 3。根据表 3，可以得出空气凤梨在经过 15 天的大气灰尘胁迫后，叶内颗粒物的化学元素的种类和含量。叶内的主要元素有Al，Ca ，Cr，Cu，Fe，K，Mg，Mn，Na，Ni，Pb ，Ti，V，Zn，三组空气凤梨的叶内颗粒物 Si 含量均为 0。在元素含量上， C 组总体的化学元素含量是三组中最多的，而 A 组各种化学元素含量最少，且 A 组空气凤梨叶内颗粒物中不含 K 元素。B 组的 Ca，K，Mg 元素含量达到上千，甚至于 Na 元