大气中氟化物污染的生物学指标监测评价

1、生态环境学报 2010, 19(3: 509-512 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor基金项目:国家自然科学基金项目(40771185;福建省自然科学基金项目(D0710021作者简介:刘启明(1973年生,男,副教授,博士,从事生态环境科学监测与评价研究。E-mail: qmliu 收稿日期:2010-01-27大气中氟化物污染的生物学指标监测评价刘启明1,施晶1,黄云凤1,张金丽1,黄志勇1,成路21. 集美大学生物工程学院/集美大学环境工程研究所,福建 厦门 361021;2. 信息产业部电子综合勘察研究院,陕西 西安71

2、0054摘要:植物对HF 气体的敏感性是由多种因素相互作用而成的复杂综合性状,常用于定性描述大气环境质量状况。通过在密闭的培养瓶中一次性通入不同体积浓度的HF 气体,以不同浓度HF 胁迫下的不同类型植物为例,观察其在不同时间的外观伤害症状和细胞膜透性与HF 浓度的关系。结果表明:不同植物对HF 的敏感性不同;低浓度长时间和高浓度短时间的症状基本相同;植物细胞膜透性数据即电导率直接反映植物受损程度。综合植物外观症状指标与生理生化指标并赋予不同权重值,建立相对定量化的大气质量生物学指标评价模式,以定量的判断HF 气体对植物的伤害,为应用植物监测和评价大气环境质量提供理论和实践依据。关键词:氟化物;

3、生物学指标;大气质量评价中图分类号:X143 文献标识码:A 文章编号:1674-5906(201003-0509-04大气质量评价常用的方法有大气质量综合指数评价法、生物指标法、标度指数法、灰色聚类法、模糊数学法及物元分析评价法等。生物指标法是指利用植物对大气污染的响应,监测有害气体的成分和含量,达到了解大气环境质量状况的目的。氟化物是目前较为关注的重要大气污染物之一,其主要来源为生产或生活中烟气的排放。大气中氟化物主要以气态氟化物(HF 、SiF 4等和粉尘态氟化物的形式存在。粉尘态氟化物粒径较大,扩散距离小,且毒性较轻,对动植物危害起主导作用的是气态氟化物,尤其是HF 占比例最大。HF

4、的毒性是SO 2的201000倍,且比重比空气轻,扩散距离大,其对生态系统的危害性已是仅次于SO 2的影响。因此,利用氟化物含量和植物叶片氟化物含量之间的关系及植物叶片受害症状等综合特性反映大气中氟污染的程度已有一定程度的工作开展。主要工作包括研究植物氟化物含量与大气氟化物的相关性1-4;不同植物富集氟化物的特征5,6;氟化物对植物的危害7,8;大气氟化物对不同地区不同植物的生态效应9和利用植物对氟化物的富集性能净化环境10,11等。植物对大气污染物的敏感性是由多种因素相互作用而成的复杂综合性状,仅以直观的受害症状作为评价指标不能做出定量化评价,还会与植物本身表征的假象混淆;细胞膜透性等生理评

5、价指标又不能直观反应植物的受害程度。基于以上认识,本文以HF 胁迫下的植物为例,拟综合植物外观症状指标与生理生化指标,尝试建立相对定量化的大气质量生物学指标监测评价模式。1 材料和方法1.1 植物受试植物枝叶的熏气处理在自行设计的密闭广口瓶中进行,熏气体积为2 L 。根据熏气体积和所需的浓度,按照公式(1所示反应方程,以等量不同份数产生不同质量浓度的HF 气体。2NaF+H 2SO 4=Na 2SO 4 +2HF (1 各受试植物均采于福建省厦门市集美大学校园周边及菜市场,主要为适植于南方的植物类型,分为树木、花卉、蔬菜和室内植物4种类型,共计20余种植物。(A 树木:榕树(Ficus mic

6、rocarpa 、樟树(Cinnamomum philippinense 、石榴(Punicagranatum 、芒果(Mangifera indica 、茶树(Camellia sinensis 、龙眼(Dimocarpus lonsan Lour 、枇杷(Eriobotrya japonica ;(B 花卉:桂花(Osmanthus fragrans our 、扶桑(Hibiscus rosa-sinensis 、茉莉(Jasminum sambac 、三角梅(Bougainvillea spectabilis willd 、杜鹃(Rhododendron annae ;(C 蔬菜:菠菜(

7、Spinacia oleracea 、小白菜(Brassica campestris L. ssp. Chinensis 、春菜(Herba coriandri sativi 、葱(Allium schoenoprasum 、芹菜(Apiumgraveolens 、韭菜(A. tuberosum allium liliaceae ;(D 室内植物:紫花鸭跖草(Commelina communis 、虎皮兰(Sansevieria trifasciata 。采摘的受试植物枝叶生长良好无病虫害,采摘后的植物插在knop 培养液中,待测。植物熏气实验分别以浓度和时间作为单因素,并测定了相应的细胞膜透

8、性指标。510 生态环境学报第19卷第3期(2010年3月1.2 处理不同浓度的熏气处理:分别用0、0.05、0.1、0.15、0.2 、0.25 gL-1等6个浓度SO2在装置中静态熏气处理3 h,每0.5 h观察一次植物枝叶症状。观察各植物出现症状的先后次序,并观察植物受害部位和受害情况,同时进行实时的症状记录,选择部分样品做重复样参考对比。同一浓度不同持续时间的处理:用0、0.05、0.1、0.15、0.2 、0.25 gL-1等6个浓度分别各熏气3、6、9、12 h,分别观察其症状,注意观察低浓度长时间和高浓度短时间的症状。1.3 细胞膜透性指标植物熏气8 h后,用水洗净叶后擦干,以剪

9、刀将叶片剪成面积约为0.5 cm0.5 cm的30个小片,放入50 mL烧杯中,加去离子水20 ml搅拌,在25 恒温2.5 h,用数字式电导仪(DDS-11D型测定。2 生物学指标数据2.1 抗性类型划分及症状表现不同植物对HF的敏感度既表现为对浓度的响应,同时在显症时间上也表现出差异。本研究以受害阈值T(浓度时间为准,把供试植物的抗性(即敏感性划分为5个类型:1高度敏感型,受害阈值T0.05 gL-13 h;2中度敏感型,受害阈值0.05 gL-13 h T0.1 gL-13 h;3敏感型,受害阈值0.1 gL-13 h T0.15 gL-13 h;4中抗型,受害阈值0.15 gL-13

10、h 0.212 基本无变化高抗刘启明等:大气中氟化物污染的生物学指标监测评价 5113 综合指标评价模式3.1 指标定量表述植物对HF的敏感性是由多种因素相互作用而成的复杂的综合性状,而这些因素在抗污性研究中的应用目前尚未提出一个统一的评价方法,这主要是因为目前还没有一个可靠的鉴定指标。仅用单一指标来判断其抗性是不完善的,因为以直观的受害症状作为评价指标不能做出定量化评价,还会与植物本身表征的假象混淆(如气候环境等变化导致受害症状不准确;而以细胞膜透性为评价指标又不能直观反应植物的受害程度。基于以上考虑,本文拟选用直观的受害症状(高度敏感、中度敏感、敏感、中抗、高抗和不同浓度不同受害植物的电导

11、率测定结果作为综合评价指标,将其定量化后,取不同的权重建立评价模式,进而给出综合评价结果。由于评价指标各个分量具有不同的单位量纲,首先对各分量进行归一化处理12。直观的受害症状(高度敏感、中度敏感、敏感、中抗、高抗有5个,我们假设这5个敏感等级为N i(i=1,2,3,4, 5,N1为高抗、N2为中抗、N3为敏感、N4为中度敏感、N5为高度敏感,将N i的范围定在01之间,则取N1=0、N2=0.25、N3=0.5、N4=0.75、N5=1。电导率值因HF浓度和受试植物的不同而不同,为了使其具有普遍性和代表性,我们选取不同敏感度的典型受试植物来进行计算。再假设0.05、0.1、0.15、0.2

12、和0.25 gL-1 5个HF熏气浓度分别为n1、n2、n3、n4、n5,根据表2所示不同敏感度的典型受试植物电导率范围为:n1(22.182.4、n2 (26.9121.2、n3(33.8184.8、n4(52.3241.9、n5(53.3292.4。为了使我们的综合评价结果在01的范围内,必须将电导率在不同浓度条件下的电导率定量在01之间,则假设定量化后的电导率为H j(j=1,2,3,4,5,浓度n1、n2、n3、n4、n5则对应H1、H2、H3、H4、H5(H j=01。将上述n1、n2、n3、n4、n5对应的电导率范围分成5个差值相等的数值。等分差值计算方法为:(H max-H mi

13、n/4,即不同浓度的最大的电导率值减去最小的电导率值后四等分,则不同敏感度的典型受试植物的等分差值为:n1(15、n2(24、n3(38、n4(47、n5(60。再将差值换算成01范围的数值,即:15/60: 24/60: 38/60: 47/60: 60/60 = 0.25: 0.40: 0.63: 0.78:1。所以浓度n1、n2、n3、n4、n5对应定量化后数据为:H1=0.25、H2=0.41、H3=0.63、H4=0.78、H5=1。3.2 综合指标评价模式综合指标评价模式尝试对外观伤害症状和细胞膜透性(电导率2个指标赋予不同权重值,权重值的确定主要考虑植物的外观症状具有直观表述性,

14、是生物指标法中最基础的内容,可以粗略地判断植物对HF的抗性等级。细胞膜透性(电导率的测定不受外界因素如气候条件和土壤等变化所引起的表面假象的混淆影响,但是由于缺乏更多的其他生理学指标的叠加以优化评价模式。因此本研究中取植物的外观伤害症状权重为y i=0.6,而细胞膜透性(电导率的权重为y j=0.4。则综合评价结果(M可表示为:M=N iy i+H jy j,将已计算出对应的N i、H j数据代入,得出评价结果。最后再设定相对应所谓参考标准,即可直观地反应植物的受害情况,数据如表3所示。定量化的综合评价结果是结合直观的植物外观伤害症状和细胞膜透性(电导率这2个评价指标,取二者的不同权重,通过假

15、设条件来建立模型并进行计算,同时将综合评价结果设定成参考标准,将其定义为轻微(00.2、轻度(0.20.4、中度(0.40.6、高度(0.60.8、严重(0.81.05个受害等级。因此通过生物监测,对照其评价的参考标准,即可定量的判断HF对植物的伤害情况。4 结论与建议(1HF对植物的危害症状主要表现为开始叶片略微失去鲜绿,出现暗绿色的斑点,然后叶色褪绿、干枯,直至出现萎蔫,敏感植物急性氟伤害的典型症状是叶尖、叶缘部分出现坏死斑,然后这些斑表2 不同浓度HF熏气处理后植物叶片电导率Table 2 Conductance of plant leaves responding todifferen

16、t HF contents %HF浓度/(gL-1受试植物0.05 0.1 0.15 0.2 0.25敏感度龙眼82.4 121.2 184.8 241.9 292.4 高度敏感芒果50.5 67.1 88.3 130.4 132.5三角梅48.2 59.8 74.9 92.2 123.8中度敏感菠菜40.6 52.7 68.4 73.5 92.2葱42.7 48.9 66.8 67.5 88.9敏感韭菜34.4 43.4 55.6 66.8 67.6茉莉34.8 38.7 48.9 60.1 65.9中抗榕树29.9 25.6 29.7 45.9 57.2紫花鸭跖草22.1 26.9 33.

17、8 52.3 53.3高抗表3 定量化的综合评价及标准设定Table 3 Quantification of the comprehensive evaluation resultsand standards set综合症状(N i电导率(H j综合评价(M评价标准范围评价参考标准0 0.25 0.10 00.2 轻微0.25 0.41 0.31 0.20.4 轻度0.50 0.63 0.55 0.40.6 中度0.75 0.78 0.76 0.60.8 高度1.00 1.00 1.00 0.81.0 严重512 生态环境学报第19卷第3期(2010年3月块沿中脉及较大支脉蔓延,受害叶组织与正

18、常叶组织之间常形成明显的界限。另外也有植物会出现褪绿的斑,引起叶片失绿,一般叶片由叶缘处先出现症状,后向叶片扩散。(2经不同浓度HF熏气处理后各植物叶片的电导率随着HF浓度的增加均呈上升趋势,即其叶片细胞的电解质外渗增加。(3综合植物外观伤害症状和细胞膜透性(电导率这2个评价指标,建立综合指标评价模式,即划分为轻微(00.2、轻度(0.20.4、中度(0.40.6、高度(0.60.8、严重(0.81.05个受害等级,以定量的判断HF对植物的伤害。(4本研究仅对外观症状和电导率2个指标进行讨论,其他的生理学指标没有叠加以优化模型,需继续深入研究以完善评价模式。(5目前单一污染对植物的影响研究相对

19、较多。而SO2、HF、HCl、NH3、O3、NO2等的复合污染对植物的影响能更真实地反映大气污染状况,应为今后的研究趋势。参考文献:1VIKE E. Air-pollutant dispersal patterns and vegetation damage in thevicinity of three aluminium smelters in NorwayJ. Science of the To-tal Environment, 1999, 236: 75-90.2WEINSTEINA L H, DAVISON A W, SKELLY J M. Native plantspecies s

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