大氣中氟化物污染的生物學指標監(jiān)測評價

1、生態(tài)環(huán)境學報 2010, 19(3: 509-512 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor基金項目:國家自然科學基金項目(40771185;福建省自然科學基金項目(D0710021作者簡介:劉啟明(1973年生,男,副教授,博士,從事生態(tài)環(huán)境科學監(jiān)測與評價研究。E-mail: qmliu 收稿日期:2010-01-27大氣中氟化物污染的生物學指標監(jiān)測評價劉啟明1,施晶1,黃云鳳1,張金麗1,黃志勇1,成路21. 集美大學生物工程學院/集美大學環(huán)境工程研究所,福建 廈門 361021;2. 信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院,陜西 西安71

2、0054摘要:植物對HF 氣體的敏感性是由多種因素相互作用而成的復雜綜合性狀,常用于定性描述大氣環(huán)境質(zhì)量狀況。通過在密閉的培養(yǎng)瓶中一次性通入不同體積濃度的HF 氣體,以不同濃度HF 脅迫下的不同類型植物為例,觀察其在不同時間的外觀傷害癥狀和細胞膜透性與HF 濃度的關(guān)系。結(jié)果表明:不同植物對HF 的敏感性不同;低濃度長時間和高濃度短時間的癥狀基本相同;植物細胞膜透性數(shù)據(jù)即電導率直接反映植物受損程度。綜合植物外觀癥狀指標與生理生化指標并賦予不同權(quán)重值,建立相對定量化的大氣質(zhì)量生物學指標評價模式,以定量的判斷HF 氣體對植物的傷害,為應用植物監(jiān)測和評價大氣環(huán)境質(zhì)量提供理論和實踐依據(jù)。關(guān)鍵詞:氟化物;

3、生物學指標;大氣質(zhì)量評價中圖分類號:X143 文獻標識碼:A 文章編號:1674-5906(201003-0509-04大氣質(zhì)量評價常用的方法有大氣質(zhì)量綜合指數(shù)評價法、生物指標法、標度指數(shù)法、灰色聚類法、模糊數(shù)學法及物元分析評價法等。生物指標法是指利用植物對大氣污染的響應,監(jiān)測有害氣體的成分和含量,達到了解大氣環(huán)境質(zhì)量狀況的目的。氟化物是目前較為關(guān)注的重要大氣污染物之一,其主要來源為生產(chǎn)或生活中煙氣的排放。大氣中氟化物主要以氣態(tài)氟化物(HF 、SiF 4等和粉塵態(tài)氟化物的形式存在。粉塵態(tài)氟化物粒徑較大,擴散距離小,且毒性較輕,對動植物危害起主導作用的是氣態(tài)氟化物,尤其是HF 占比例最大。HF

4、的毒性是SO 2的201000倍,且比重比空氣輕,擴散距離大,其對生態(tài)系統(tǒng)的危害性已是僅次于SO 2的影響。因此,利用氟化物含量和植物葉片氟化物含量之間的關(guān)系及植物葉片受害癥狀等綜合特性反映大氣中氟污染的程度已有一定程度的工作開展。主要工作包括研究植物氟化物含量與大氣氟化物的相關(guān)性1-4;不同植物富集氟化物的特征5,6;氟化物對植物的危害7,8;大氣氟化物對不同地區(qū)不同植物的生態(tài)效應9和利用植物對氟化物的富集性能凈化環(huán)境10,11等。植物對大氣污染物的敏感性是由多種因素相互作用而成的復雜綜合性狀,僅以直觀的受害癥狀作為評價指標不能做出定量化評價,還會與植物本身表征的假象混淆;細胞膜透性等生理評

5、價指標又不能直觀反應植物的受害程度?；谝陨险J識,本文以HF 脅迫下的植物為例,擬綜合植物外觀癥狀指標與生理生化指標,嘗試建立相對定量化的大氣質(zhì)量生物學指標監(jiān)測評價模式。1 材料和方法1.1 植物受試植物枝葉的熏氣處理在自行設(shè)計的密閉廣口瓶中進行,熏氣體積為2 L 。根據(jù)熏氣體積和所需的濃度,按照公式(1所示反應方程,以等量不同份數(shù)產(chǎn)生不同質(zhì)量濃度的HF 氣體。2NaF+H 2SO 4=Na 2SO 4 +2HF (1 各受試植物均采于福建省廈門市集美大學校園周邊及菜市場,主要為適植于南方的植物類型,分為樹木、花卉、蔬菜和室內(nèi)植物4種類型,共計20余種植物。(A 樹木:榕樹(Ficus mic

6、rocarpa 、樟樹(Cinnamomum philippinense 、石榴(Punicagranatum 、芒果(Mangifera indica 、茶樹(Camellia sinensis 、龍眼(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 、杜鵑(Rhododendron annae ;(C 蔬菜:菠菜(

7、Spinacia oleracea 、小白菜(Brassica campestris L. ssp. Chinensis 、春菜(Herba coriandri sativi 、蔥(Allium schoenoprasum 、芹菜(Apiumgraveolens 、韭菜(A. tuberosum allium liliaceae ;(D 室內(nèi)植物:紫花鴨跖草(Commelina communis 、虎皮蘭(Sansevieria trifasciata 。采摘的受試植物枝葉生長良好無病蟲害,采摘后的植物插在knop 培養(yǎng)液中,待測。植物熏氣實驗分別以濃度和時間作為單因素,并測定了相應的細胞膜透

8、性指標。510 生態(tài)環(huán)境學報第19卷第3期(2010年3月1.2 處理不同濃度的熏氣處理:分別用0、0.05、0.1、0.15、0.2 、0.25 gL-1等6個濃度SO2在裝置中靜態(tài)熏氣處理3 h,每0.5 h觀察一次植物枝葉癥狀。觀察各植物出現(xiàn)癥狀的先后次序,并觀察植物受害部位和受害情況,同時進行實時的癥狀記錄,選擇部分樣品做重復樣參考對比。同一濃度不同持續(xù)時間的處理:用0、0.05、0.1、0.15、0.2 、0.25 gL-1等6個濃度分別各熏氣3、6、9、12 h,分別觀察其癥狀,注意觀察低濃度長時間和高濃度短時間的癥狀。1.3 細胞膜透性指標植物熏氣8 h后,用水洗凈葉后擦干,以剪

9、刀將葉片剪成面積約為0.5 cm0.5 cm的30個小片,放入50 mL燒杯中,加去離子水20 ml攪拌,在25 恒溫2.5 h,用數(shù)字式電導儀(DDS-11D型測定。2 生物學指標數(shù)據(jù)2.1 抗性類型劃分及癥狀表現(xiàn)不同植物對HF的敏感度既表現(xiàn)為對濃度的響應,同時在顯癥時間上也表現(xiàn)出差異。本研究以受害閾值T(濃度時間為準,把供試植物的抗性(即敏感性劃分為5個類型:1高度敏感型,受害閾值T0.05 gL-13 h;2中度敏感型,受害閾值0.05 gL-13 h T0.1 gL-13 h;3敏感型,受害閾值0.1 gL-13 h T0.15 gL-13 h;4中抗型,受害閾值0.15 gL-13

10、h 0.212 基本無變化高抗劉啟明等:大氣中氟化物污染的生物學指標監(jiān)測評價 5113 綜合指標評價模式3.1 指標定量表述植物對HF的敏感性是由多種因素相互作用而成的復雜的綜合性狀,而這些因素在抗污性研究中的應用目前尚未提出一個統(tǒng)一的評價方法,這主要是因為目前還沒有一個可靠的鑒定指標。僅用單一指標來判斷其抗性是不完善的,因為以直觀的受害癥狀作為評價指標不能做出定量化評價,還會與植物本身表征的假象混淆(如氣候環(huán)境等變化導致受害癥狀不準確;而以細胞膜透性為評價指標又不能直觀反應植物的受害程度?；谝陨峡紤],本文擬選用直觀的受害癥狀(高度敏感、中度敏感、敏感、中抗、高抗和不同濃度不同受害植物的電導

11、率測定結(jié)果作為綜合評價指標,將其定量化后,取不同的權(quán)重建立評價模式,進而給出綜合評價結(jié)果。由于評價指標各個分量具有不同的單位量綱,首先對各分量進行歸一化處理12。直觀的受害癥狀(高度敏感、中度敏感、敏感、中抗、高抗有5個,我們假設(shè)這5個敏感等級為N i(i=1,2,3,4, 5,N1為高抗、N2為中抗、N3為敏感、N4為中度敏感、N5為高度敏感,將N i的范圍定在01之間,則取N1=0、N2=0.25、N3=0.5、N4=0.75、N5=1。電導率值因HF濃度和受試植物的不同而不同,為了使其具有普遍性和代表性,我們選取不同敏感度的典型受試植物來進行計算。再假設(shè)0.05、0.1、0.15、0.2

12、和0.25 gL-1 5個HF熏氣濃度分別為n1、n2、n3、n4、n5,根據(jù)表2所示不同敏感度的典型受試植物電導率范圍為:n1(22.182.4、n2 (26.9121.2、n3(33.8184.8、n4(52.3241.9、n5(53.3292.4。為了使我們的綜合評價結(jié)果在01的范圍內(nèi),必須將電導率在不同濃度條件下的電導率定量在01之間,則假設(shè)定量化后的電導率為H j(j=1,2,3,4,5,濃度n1、n2、n3、n4、n5則對應H1、H2、H3、H4、H5(H j=01。將上述n1、n2、n3、n4、n5對應的電導率范圍分成5個差值相等的數(shù)值。等分差值計算方法為:(H max-H mi

13、n/4,即不同濃度的最大的電導率值減去最小的電導率值后四等分,則不同敏感度的典型受試植物的等分差值為:n1(15、n2(24、n3(38、n4(47、n5(60。再將差值換算成01范圍的數(shù)值,即:15/60: 24/60: 38/60: 47/60: 60/60 = 0.25: 0.40: 0.63: 0.78:1。所以濃度n1、n2、n3、n4、n5對應定量化后數(shù)據(jù)為:H1=0.25、H2=0.41、H3=0.63、H4=0.78、H5=1。3.2 綜合指標評價模式綜合指標評價模式嘗試對外觀傷害癥狀和細胞膜透性(電導率2個指標賦予不同權(quán)重值,權(quán)重值的確定主要考慮植物的外觀癥狀具有直觀表述性,

14、是生物指標法中最基礎(chǔ)的內(nèi)容,可以粗略地判斷植物對HF的抗性等級。細胞膜透性(電導率的測定不受外界因素如氣候條件和土壤等變化所引起的表面假象的混淆影響,但是由于缺乏更多的其他生理學指標的疊加以優(yōu)化評價模式。因此本研究中取植物的外觀傷害癥狀權(quán)重為y i=0.6,而細胞膜透性(電導率的權(quán)重為y j=0.4。則綜合評價結(jié)果(M可表示為:M=N iy i+H jy j,將已計算出對應的N i、H j數(shù)據(jù)代入,得出評價結(jié)果。最后再設(shè)定相對應所謂參考標準,即可直觀地反應植物的受害情況,數(shù)據(jù)如表3所示。定量化的綜合評價結(jié)果是結(jié)合直觀的植物外觀傷害癥狀和細胞膜透性(電導率這2個評價指標,取二者的不同權(quán)重,通過假

15、設(shè)條件來建立模型并進行計算,同時將綜合評價結(jié)果設(shè)定成參考標準,將其定義為輕微(00.2、輕度(0.20.4、中度(0.40.6、高度(0.60.8、嚴重(0.81.05個受害等級。因此通過生物監(jiān)測,對照其評價的參考標準,即可定量的判斷HF對植物的傷害情況。4 結(jié)論與建議(1HF對植物的危害癥狀主要表現(xiàn)為開始葉片略微失去鮮綠,出現(xiàn)暗綠色的斑點,然后葉色褪綠、干枯,直至出現(xiàn)萎蔫,敏感植物急性氟傷害的典型癥狀是葉尖、葉緣部分出現(xiàn)壞死斑,然后這些斑表2 不同濃度HF熏氣處理后植物葉片電導率Table 2 Conductance of plant leaves responding todifferen

16、t HF contents %HF濃度/(gL-1受試植物0.05 0.1 0.15 0.2 0.25敏感度龍眼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蔥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中抗榕樹29.9 25.6 29.7 45.9 57.2紫花鴨跖草22.1 26.9 33.

17、8 52.3 53.3高抗表3 定量化的綜合評價及標準設(shè)定Table 3 Quantification of the comprehensive evaluation resultsand standards set綜合癥狀(N i電導率(H j綜合評價(M評價標準范圍評價參考標準0 0.25 0.10 00.2 輕微0.25 0.41 0.31 0.20.4 輕度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 嚴重512 生態(tài)環(huán)境學報第19卷第3期(2010年3月塊沿中脈及較大支脈蔓延,受害葉組織與正

18、常葉組織之間常形成明顯的界限。另外也有植物會出現(xiàn)褪綠的斑,引起葉片失綠,一般葉片由葉緣處先出現(xiàn)癥狀,后向葉片擴散。(2經(jīng)不同濃度HF熏氣處理后各植物葉片的電導率隨著HF濃度的增加均呈上升趨勢,即其葉片細胞的電解質(zhì)外滲增加。(3綜合植物外觀傷害癥狀和細胞膜透性(電導率這2個評價指標,建立綜合指標評價模式,即劃分為輕微(00.2、輕度(0.20.4、中度(0.40.6、高度(0.60.8、嚴重(0.81.05個受害等級,以定量的判斷HF對植物的傷害。(4本研究僅對外觀癥狀和電導率2個指標進行討論,其他的生理學指標沒有疊加以優(yōu)化模型,需繼續(xù)深入研究以完善評價模式。(5目前單一污染對植物的影響研究相對

19、較多。而SO2、HF、HCl、NH3、O3、NO2等的復合污染對植物的影響能更真實地反映大氣污染狀況,應為今后的研究趨勢。參考文獻: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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