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欧美杨对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附与吸收能力

张罡 安海龙 史军娜 刘超 田菊 郭惠红 夏新莉 尹伟伦

张罡, 安海龙, 史军娜, 刘超, 田菊, 郭惠红, 夏新莉, 尹伟伦. 欧美杨对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附与吸收能力[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(4): 46-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
引用本文: 张罡, 安海龙, 史军娜, 刘超, 田菊, 郭惠红, 夏新莉, 尹伟伦. 欧美杨对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附与吸收能力[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(4): 46-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
ZHANG Gang, AN Hai-long, SHI Jun-na, LIU Chao, TIAN Ju, GUO Hui-hong, XIA Xin-li, YIN Wei-lun. Deposition and absorption capacity of Populus deltoides × P. nigra to different size zinc oxide aerosol[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(4): 46-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
Citation: ZHANG Gang, AN Hai-long, SHI Jun-na, LIU Chao, TIAN Ju, GUO Hui-hong, XIA Xin-li, YIN Wei-lun. Deposition and absorption capacity of Populus deltoides × P. nigra to different size zinc oxide aerosol[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(4): 46-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376

欧美杨对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附与吸收能力

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
基金项目: 

林业公益性行业科研专项 201304301

中国工程院咨询研究项目 2013-QTSHKJJH-01

“十三五”国家科技支撑计划课题 2015BAD07B01

详细信息
    作者简介:

    张罡。主要研究方向:植物抗逆生理生态学。Email:zhanggang@bjfu.edu.cn  地址:100083  北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生物科学与技术学院

    通讯作者:

    尹伟伦,教授,博士生导师。主要研究方向:植物抗逆生理及分子机制。Email: yinwl@bjfu.edu.cn  地址:同上

  • 中图分类号: S718.43

Deposition and absorption capacity of Populus deltoides × P. nigra to different size zinc oxide aerosol

  • 摘要: 为揭示植物叶片对大气颗粒物的滞纳效应,本研究首次采用氧化锌(ZnO)纳米颗粒物模拟PM2.5等颗粒物在欧美杨DN-2叶片表面的沉降、附着和滞留过程,利用水洗法和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分别测定叶片表面和组织内的ZnO含量,通过扫描电子显微镜对叶表形貌进行观察和附着颗粒物数量统计,定量研究欧美杨对不同粒径颗粒物的吸附和吸收能力及其光合生理的响应特征。结果表明:粒径约为30 nm(NPs)、100 nm(BPs)和1 μm(MPs)的3种ZnO气溶胶处理16 d后,欧美杨叶片表面对MPs的吸附质量最大,高达653.03 mg/g,显著高于NPs。而通过Image J软件统计叶表面颗粒物的数量发现,NPs处理下叶面附着颗粒物数量最多,BPs次之,MPs最少,说明颗粒物的粒径越小,分布在叶片表面的数量越多,但其在叶面附着质量较低。此外,通过对植物叶表形貌观察发现,颗粒物对气孔和角质层产生了负面影响,气孔轮廓不清晰,角质层皱折不规则。在模拟颗粒物环境中,欧美杨对粒径小于1 μm颗粒物均有一定量的吸收。与吸附质量不同,欧美杨叶片对NPs的吸收量显著高于BPs和MPs,在处理16 d后高达1.17 mg/g,分别是BPs和MPs的2.59和2.89倍,这表明粒径越小的颗粒物越容易被植物吸收进入体内。NPs、BPs和MPs处理16 d后,欧美杨叶片净光合速率(Pn)分别降低了22%、44%和19%,这是由气孔和非气孔因素共同导致的。
  • 图  1  欧美杨叶片表面对不同粒径ZnO颗粒物的吸附

    a.未经ZnO处理;b.NPs处理;c.BPs处理;d.MPs处理。图像拍摄倍数均为500×。

    Figure  1.  Adhesion of ZnO particles on the adaxial surfaces of poplar leaves exposed to different size ZnO aerosol

    a, untreated with ZnO; b, NPs treated; c, BPs treated; d, MPs treated. Image magnification was 500×.

    图  2  不同处理时间下欧美杨叶片对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附含量

    Figure  2.  Deposition of different size particles on poplar leaves exposed to different size ZnO aerosol

    图  3  不同处理时间下欧美杨叶片对不同粒径氧化锌颗粒物的吸收含量

    Figure  3.  Absorption of different size particles in poplar leaves exposed to different size ZnO aerosol

    图  4  不同处理时间下欧美杨对不同粒径颗粒物的吸收量与吸附量比值

    Figure  4.  Proportion between particle absorption and deposition on poplar leaves under different treating time

    图  5  不同粒径氧化锌颗粒物对欧美杨叶片光合参数的影响

    Figure  5.  Impacts of different size ZnO particles on photosynthetic characteristics of poplar leaves

    表  1  欧美杨叶片表面吸附颗粒物的粒径分布

    Table  1.   Size distribution of the particles on the leaf surface of P. deltoides × P. nigra

    颗粒物粒径
    Particle size/μm
    NPsBPsMPs
    4 d16 d增长率
    Increasing rate
    4 d16 d增长率
    Increasing rate
    4 d16 d增长率
    Increasing rate
    0.1~0.5418.35±68.62737.28±125.391.76290.88±63.15534.52±196.321.8345.03±21.32143.2±63.593.18
    0.5~1.066.72±15.30176.49±23.652.6360.55±23.01182±72.303.01115.63±32.56433.23±145.203.74
    1.0~2.522.23±6.33151.68±69.356.854.83±20.3636.12±12.680.6551.52±15.9128.1±8.662.51
    >2.52.03±0.322.86±0.631.435.6±0.952.60±0.320.4642.84±0.674.25±0.321.40
    总个数
    Total number
    509.31 067.822.09411.87755.241.83224.99708.563.14
    注:NPs为粒径约30 nm的颗粒物; BPs为粒径约100 nm的颗粒物; MPs为粒径约1.0 μm的颗粒物。下同。数值为12个视野的平均值±SD,500×。Notes:NPs, particle average diameter about 30 nm; BPs, particle average diameter about 100 nm; MPs, particle average diameter about 1.0 μm. Same as below. Value was an average of 12 fields of view ±SD, 500×.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-16
  • 修回日期:  2017-01-17
  • 刊出日期:  2017-04-01

欧美杨对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附与吸收能力

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
    基金项目:

    林业公益性行业科研专项 201304301

    中国工程院咨询研究项目 2013-QTSHKJJH-01

    “十三五”国家科技支撑计划课题 2015BAD07B01

    作者简介:

    张罡。主要研究方向:植物抗逆生理生态学。Email:zhanggang@bjfu.edu.cn  地址:100083  北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生物科学与技术学院

    通讯作者: 尹伟伦,教授,博士生导师。主要研究方向:植物抗逆生理及分子机制。Email: yinwl@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 中图分类号: S718.43

摘要: 为揭示植物叶片对大气颗粒物的滞纳效应,本研究首次采用氧化锌(ZnO)纳米颗粒物模拟PM2.5等颗粒物在欧美杨DN-2叶片表面的沉降、附着和滞留过程,利用水洗法和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分别测定叶片表面和组织内的ZnO含量,通过扫描电子显微镜对叶表形貌进行观察和附着颗粒物数量统计,定量研究欧美杨对不同粒径颗粒物的吸附和吸收能力及其光合生理的响应特征。结果表明:粒径约为30 nm(NPs)、100 nm(BPs)和1 μm(MPs)的3种ZnO气溶胶处理16 d后,欧美杨叶片表面对MPs的吸附质量最大,高达653.03 mg/g,显著高于NPs。而通过Image J软件统计叶表面颗粒物的数量发现,NPs处理下叶面附着颗粒物数量最多,BPs次之,MPs最少,说明颗粒物的粒径越小,分布在叶片表面的数量越多,但其在叶面附着质量较低。此外,通过对植物叶表形貌观察发现,颗粒物对气孔和角质层产生了负面影响,气孔轮廓不清晰,角质层皱折不规则。在模拟颗粒物环境中,欧美杨对粒径小于1 μm颗粒物均有一定量的吸收。与吸附质量不同,欧美杨叶片对NPs的吸收量显著高于BPs和MPs,在处理16 d后高达1.17 mg/g,分别是BPs和MPs的2.59和2.89倍,这表明粒径越小的颗粒物越容易被植物吸收进入体内。NPs、BPs和MPs处理16 d后,欧美杨叶片净光合速率(Pn)分别降低了22%、44%和19%,这是由气孔和非气孔因素共同导致的。

English Abstract

张罡, 安海龙, 史军娜, 刘超, 田菊, 郭惠红, 夏新莉, 尹伟伦. 欧美杨对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附与吸收能力[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(4): 46-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
引用本文: 张罡, 安海龙, 史军娜, 刘超, 田菊, 郭惠红, 夏新莉, 尹伟伦. 欧美杨对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附与吸收能力[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(4): 46-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
ZHANG Gang, AN Hai-long, SHI Jun-na, LIU Chao, TIAN Ju, GUO Hui-hong, XIA Xin-li, YIN Wei-lun. Deposition and absorption capacity of Populus deltoides × P. nigra to different size zinc oxide aerosol[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(4): 46-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
Citation: ZHANG Gang, AN Hai-long, SHI Jun-na, LIU Chao, TIAN Ju, GUO Hui-hong, XIA Xin-li, YIN Wei-lun. Deposition and absorption capacity of Populus deltoides × P. nigra to different size zinc oxide aerosol[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(4): 46-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160376
  • 随着经济的快速增长,城市规模不断扩大,大气污染已成为影响人类健康的主要环境危害之一,其中大气中PM2.5已成为我国很多城市的首要空气污染物。2012年国家环保部发布的《环境空气质量标准》指出细颗粒物PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物。PM2.5由于具有较长的大气滞留时间、易携带许多有毒有害物质等特征,对环境质量[1-2]、大气能见度[3]、人类健康[4]及气候变化[5]等方面产生负面影响。颗粒物对人体的毒害性主要与粒径大小、化学组分和浓度水平等因素相关。与粒径较大的颗粒物相比,粒径小的颗粒物更容易进入并粘附在人体下呼吸道和肺泡,参与人体血液循环,引起呼吸道疾病[6]和心血管疾病及降低免疫力[7],已经成为国际社会和人民群众关注的焦点。

    绿色植物在近地表大气污染物的清除中起着重要作用[8]。大气颗粒物通过重力沉降和大气环流作用撞击到叶片,粘附在叶片表面,一部分随雨水冲刷回到地面或因风力再次悬浮;另一部分被滞留在叶片蜡质层中,最终植物可以有效吸收颗粒物携带的硝酸盐和铵盐等水溶性无机物质[9-10]、PAHs等有机物质[11]和铅(Pb)、镉(Cr)等部分重金属元素[12]。因此,深入了解颗粒物与植被关系,可以有效地利用植被减少大气颗粒物浓度,对改善空气质量具有重要的意义。

    目前,国内外学者的研究多集中于比较不同森林配置、不同树种或不同叶面结构的不同滞尘能力。例如,谢滨泽等[13]研究北京市20种常见阔叶绿化植物单位叶面积附着悬浮颗粒物,并探讨叶表面微结构及气孔密度对滞尘量的影响。Song等[14]运用扫描电子显微镜对北京市常见的5种常绿植物叶面滞尘进行分析,发现刺柏(Juniperus formasana)的单位叶面积滞尘量最高。无论是通过模型模拟[15-16]植物对颗粒物的附着还是气室模拟[17]研究植物对PM2.5的阻滞吸附,前人研究植物叶片对PM2.5等颗粒物的阻滞吸附能力多指各植物叶片单位叶面积附着PM2.5等颗粒物的质量。然而,对于植物是否吸收PM2.5等颗粒物,及颗粒物进入植物体内的定量研究较少。

    野外观测试验的条件较为复杂,受到多样因素的影响,难以确定植物叶片对颗粒物的吸收机制。模拟控制试验可以为了解植物叶片对颗粒物的吸收提供更好参考依据。研究表明,城市中严重雾霾的形成包括2个明显的过程,即纳米颗粒物的成核与生长,且纳米颗粒物成核过程是2次颗粒物形成的基础[18]。此外,纳米颗粒物本身会导致食物链中高级生物的毒性效应[19]。因此,研究植物对纳米颗粒物的吸收对评价纳米颗粒物的环境健康风险和消减大气中PM2.5等颗粒物成核具有重要的意义。

    鉴于锌是PM2.5等颗粒物中质量浓度最高的重金属之一[20-21],且氧化锌是一种广泛应用的纳米材料,化学性质稳定,在常见的纳米材料中其排放量仅次于二氧化钛居第2。本研究首次采用粒径一定的氧化锌纳米材料模拟PM2.5等颗粒物,通过自制的气溶胶发生系统,定量研究欧美杨(Populus deltoides×P. nigra)叶片对不同粒径颗粒物的吸附和吸收能力,并探讨了植物叶片对颗粒物的吸附量和吸收量之间的关系,可为植物对不同粒径颗粒物的吸附和吸收机制提供一定价值。

    • 试验材料为生长于北京林业大学苗圃的长势一致的欧美杨(Populus deltoides × P. nigra),于2016年4月中旬扦插,在2016年8月中旬选择平均株高为95~105 cm,平均基茎为0.8~0.9 cm,完全展开叶约为22~25片的盆栽扦插苗进行试验。共分为4组(1个对照组,3个处理组),每组3盆,每盆3株,整个试验2次重复,以减小试验误差。

      本试验所用3种不同粒径的氧化锌(ZnO)颗粒物,平均粒径分别为30 nm(NPs)、100 nm(BPs)和1 μm(MPs),从北京德科岛金科技有限公司购买,纯度为99.9%。

    • 本试验装置参照Hong等[22]的装置并加以改进。在颗粒物发生器中加入ZnO颗粒物,用空气压缩机提供一定的正压气流,从进气口通入到动态生长室(箱体大小为1.0 m×0.8 m×1.5 m),形成一定浓度的气溶胶环境,并运用Dustmate激光粉尘检测仪测定箱体中颗粒物质量浓度。通过周期性的、间断性的通气,使颗粒物总质量浓度(TSP)保持在(800±30) μg/m3,处理时间为每天09:00—17:00。当植物生长室内的总颗粒物质量浓度达到试验要求后,将欧美杨植株放入植物生长室。放入前花盆上口用保鲜膜严密覆盖,以避免室内空气中的颗粒物与土壤接触。试验设置30 nm ZnO处理组、100 nm ZnO处理组、1 μm ZnO处理组及对照(洁净空气)4个试验组,试验周期为4、8和16 d。

    • 植物叶面吸附的颗粒物用水洗法测定。将5~8片植物叶片放入盛有250 mL去离子水的烧杯中,浸泡20 min,用小毛刷仔细清洗叶片上下表面,然后用镊子将叶片小心夹出,重复清洗3次,合并洗后悬浊液。用已烘干称量的孔径0.1 μm的微孔滤膜,借助真空抽滤装置对总悬浊液进行抽滤。载尘滤膜烘干至恒质量,过滤前后滤膜质量差为Δm。然后将叶片置于60 ℃烘干至恒质量,称量叶片质量M,Δm/M表示单位叶片颗粒物吸附量。

    • 叶片样品放入信封中自然干燥后,每个试验组分别选择3个大小接近的健康叶片作为重复,在叶片中部中脉两侧取5 mm×5 mm的小块正面朝上用导电胶粘于样平台上,利用日立S-3400N Ⅱ型扫描电子显微镜对样品进行观察和分析。在放大500倍的视野下对其拍照,根据Ottele等[23]提供的方法,使用Image J软件统计叶表颗粒物数量。

    • 植物样品分别在处理4、8和16 d后取样,用自来水洗3次后,再用超纯水洗3次,于105 ℃下杀青30 min,随后在65 ℃下烘干至恒质量,电磨粉碎后过80目筛,在国家有色金属及电子材料分析测试中心用ICP-MS测定样品中Zn含量,后根据化学式的相对分子质量计算得到叶中ZnO含量。

    • 使用美国Li-COR公司生产的Li-6400便携式光合作用测定系统,选取从顶部向下的第3、5和7片完全展开叶作为测定对象。采用6400-02B红蓝光源叶室,仪器参数设定:流速500 cm3/min;内部光合有效辐射800 μmol/(m2·s);CO2浓度、温度及湿度不控制。主要测定指标:叶片的净光合速率(Pn,μmol /(m2·s))、胞间CO2浓度(Ci, μmol /mol)、气孔导度(Gs,mol/ (m2·s))等生理因子。气孔限制值(Ls)利用公式Ls=1-Ci/Cs,式中:Cs为样品室CO2浓度。运用Li-6400在天气晴朗的09:00—11:00测定植物的光合作用,每个试验组选9棵植株,每棵植株选3个叶片测定。

    • 由欧美杨叶片上表面扫描图片可知,不同粒径ZnO处理的叶片表面均附着有一定的颗粒物,且主要分布在气孔周围,尤其是副卫细胞上的褶皱区域。另外,叶片表面上的颗粒物对气孔和角质层产生了一定影响,气孔轮廓不清晰,角质层皱折不规则,颗粒物周围叶片表面呈暗黑色(图 1),这可能是颗粒物的物理撞击和ZnO在叶片表面分解后产生的负作用而导致。对颗粒物数量统计发现,叶片表面吸附的小于1 μm的颗粒物占总颗粒物数的85%以上(表 1),与处理粒径基本一致。欧美杨叶片表面吸附的总颗粒数量随处理时间的延长而增加,相对于4 d,处理16 d后,叶片表面颗粒物总数明显增加,且NPs>BPs>MPs。将颗粒物进一步细分为0.1~0.5 μm、0.5~1.0 μm和1.0~2.5 μm,发现NPs处理下,叶面吸附颗粒物主要集中分布在0.1~0.5 μm范围内,与4 d相比增加了0.76倍;而在0.5~1.0 μm范围内的颗粒物数量增加了1.63倍。BPs处理16 d后,颗粒物粒径仍然以0.1~0.5 μm为主,在0.1~0.5 μm和0.5~1.0 μm范围里的附着物数量分别是4 d的1.83和3.01倍。而MPs处理后,颗粒物主要集中分布在0.5~1.0 μm范围内,比处理4 d的叶面颗粒物数量增加了2.74倍。

      图  1  欧美杨叶片表面对不同粒径ZnO颗粒物的吸附

      Figure 1.  Adhesion of ZnO particles on the adaxial surfaces of poplar leaves exposed to different size ZnO aerosol

      表 1  欧美杨叶片表面吸附颗粒物的粒径分布

      Table 1.  Size distribution of the particles on the leaf surface of P. deltoides × P. nigra

      颗粒物粒径
      Particle size/μm
      NPsBPsMPs
      4 d16 d增长率
      Increasing rate
      4 d16 d增长率
      Increasing rate
      4 d16 d增长率
      Increasing rate
      0.1~0.5418.35±68.62737.28±125.391.76290.88±63.15534.52±196.321.8345.03±21.32143.2±63.593.18
      0.5~1.066.72±15.30176.49±23.652.6360.55±23.01182±72.303.01115.63±32.56433.23±145.203.74
      1.0~2.522.23±6.33151.68±69.356.854.83±20.3636.12±12.680.6551.52±15.9128.1±8.662.51
      >2.52.03±0.322.86±0.631.435.6±0.952.60±0.320.4642.84±0.674.25±0.321.40
      总个数
      Total number
      509.31 067.822.09411.87755.241.83224.99708.563.14
      注:NPs为粒径约30 nm的颗粒物; BPs为粒径约100 nm的颗粒物; MPs为粒径约1.0 μm的颗粒物。下同。数值为12个视野的平均值±SD,500×。Notes:NPs, particle average diameter about 30 nm; BPs, particle average diameter about 100 nm; MPs, particle average diameter about 1.0 μm. Same as below. Value was an average of 12 fields of view ±SD, 500×.

      图 2可见,经过NPs、BPs和MPs处理4 d后,欧美杨叶片对颗粒物的吸附量均明显增加,分别是对照的2.24、3.20和3.57倍。处理8 d后,BPs处理下叶片对颗粒物的吸附量最大且极显著高于对照(P<0.01),MPs次之,NPs最小。BPs和MPs处理16 d后,欧美杨叶片对颗粒物的吸附量均达到最大值,分别为617.03和653.30 mg/g,且极显著高于对照;此外,欧美杨叶片对NPs颗粒物的吸附量虽低于BPs和MPs,但显著高于对照(P<0.05)。试验材料生长于露天环境,大气中颗粒物含量较高,植物对大气颗粒物有一定的吸附和吸收作用,即使未经试验处理,植物叶片表面仍然有部分颗粒物附着,所以对照组的叶片表面颗粒物数量较低但并非为零。

      图  2  不同处理时间下欧美杨叶片对不同粒径氧化锌颗粒物的吸附含量

      Figure 2.  Deposition of different size particles on poplar leaves exposed to different size ZnO aerosol

    • 欧美杨叶片对颗粒物的吸收量随处理时间的增加而增大,但叶片对颗粒物的吸收量与吸附量存在差异。在处理4 d后,NPs处理的欧美杨叶片中氧化锌含量明显增加,显著高于BPs和MPs;而BPs和MPs处理的叶片中氧化锌含量与对照没有显著差异。NPs处理8 d后的欧美杨叶中氧化锌含量达到最大值,约为1.18 mg/g;而NPs处理16 d后,叶中氧化锌含量略有下降,但仍分别是BPs和MPs的2.59和2.89倍。BPs和MPs处理下的欧美杨叶片中氧化锌含量随时间变化趋势相似,均在处理16 d后达到最大值,分别为0.38和0.35 mg/g,是对照的2.2和2.1倍(图 3)。

      图  3  不同处理时间下欧美杨叶片对不同粒径氧化锌颗粒物的吸收含量

      Figure 3.  Absorption of different size particles in poplar leaves exposed to different size ZnO aerosol

      欧美杨叶片对3种粒径颗粒物的吸收量并非随吸附量的增加而同步增加。NPs、BPs和MPs处理4 d时,吸收量与吸附量的比值最大,约为1.08%、0.26%和0.33%。随处理时间延长而呈减小趋势,进一步说明植物叶片对颗粒物的吸附量随处理时间延长增加明显,而吸收量增加缓慢(图 4)。处理16 d后,吸收量与吸附量比值最高的是NPs处理组,约为0.35%;BPs次之,约占0.06%;MPs最小,占0.05%。

      图  4  不同处理时间下欧美杨对不同粒径颗粒物的吸收量与吸附量比值

      Figure 4.  Proportion between particle absorption and deposition on poplar leaves under different treating time

    • 不同粒径的ZnO颗粒物处理后,欧美杨净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)有不同程度的下降。从图 5a可以看出:处理4 d后,MPs处理下叶片Pn显著低于对照,其他处理Pn下降不显著。NPs、BPs和MPs处理8 d后,欧美杨Pn相对于处理4 d后Pn值均略有增加;16 d后,欧美杨Pn相对于对照分别降低了22%、44%和19%,并且BPs对Pn影响最大,极显著低于对照。此外,处理4 d后欧美杨Gs极显著低于对照,这可能是由于颗粒物使叶片保卫细胞的细胞壁运动引起气孔关闭所导致。然而16 d后欧美杨Gs略有上升,但仍低于对照,NPs、BPs和MPs处理下欧美杨Gs分别降低了42%、19%和23%(见图 5b)。

      图  5  不同粒径氧化锌颗粒物对欧美杨叶片光合参数的影响

      Figure 5.  Impacts of different size ZnO particles on photosynthetic characteristics of poplar leaves

      随时间的变化,处理组欧美杨Ci表现为先降后升的趋势。NPs、BPs和MPs处理4 d后,欧美杨Ci均低于对照,且BPs和MPs对欧美杨Ci有显著性影响;而处理16 d后,3种处理组Ci值均显著高于对照,分别是对照的1.29、1.21和1.20倍(图 5c)。气孔限制值的时间变化趋势与气孔导度趋势相反,在处理后第4天,气孔限制值明显升高,后逐渐下降,但仍然高于对照(图 5d)。

    • 植物叶片是植物暴露在空气中表面积最大的器官,且与大气环境接触最密切,叶片表面有叶脉、气孔及绒毛等结构,加之叶片表面的湿润性等固有特性为大气颗粒物的沉降、附着和滞留提供了有利条件[24]。已有研究表明,植物叶片对大气颗粒物的吸附能力不仅与植被类型[25]、叶面结构及气象条件[26-27]相关,也与颗粒物粒径大小有关[14]。本研究发现欧美杨叶片对不同粒径颗粒物的吸附能力存在差异。相同浓度的NPs、BPs和MPs颗粒物处理下,欧美杨对BPs和MPs的吸附量较大,但分布在叶表面的数量较少,而对NPs的吸附量较小,显著低于BPs和MPs,但叶表面分布的颗粒物数量较多。处理16 d后,欧美杨叶片对不同粒径颗粒物的吸附量表现为MPs>BPs>NPs,而表面吸附的颗粒物数量分布规律为NPs>BPs>MPs。这表明大气环境中悬浮颗粒物的粒径越小,其被附着在植物叶表面上的数量越多,但吸附量相对较少。粒径较小的颗粒物能够在空气中长时间悬浮,在湍流作用下被树冠拦截吸附在叶片表面,而空气中较大粒径的颗粒物在重力作用下容易在近地面沉降[28-29]

      对颗粒物数量统计还发现,欧美杨叶片表面吸附的总颗粒数量随处理时间的延长明显增加,处理16 d后叶片表面总颗粒物的数量约为处理4 d的2倍,与赵松婷等[30]应用直接采样方法得出植物滞留颗粒物累积规律的研究结果相似。NPs和BPs处理后,植物生长室内大多数悬浮颗粒物的粒径小于0.1 μm,然而欧美杨对粒径为0.1~0.5 μm的颗粒物的吸附数量最多,分别约占总颗粒物的75.61%和70.70%,是吸附颗粒物的主要组成粒径。这说明环境中的较小粒径颗粒物在叶片表面上可能形成集群。Terzaghi等[31]研究发现大气环境中粒径为0.2~0.6 μm的颗粒物分布最多,占总颗粒物的94%,但植物叶片表面吸附最多的颗粒物粒径为0.6~1.4 μm,很好地证明了较小粒径颗粒物在植物叶片表面的集群现象。关于这个现象,Teper等[32]指出虽然在叶片表面能够看到颗粒团聚物,但是很难证实团聚物的形成是否发生在颗粒物沉降到叶片表面之后。我们的结果表明,集群的形成发生在叶表面,NPs和BPs处理后模拟生长室环境内粒径超过1 μm的颗粒物较稀缺,而出现在叶片表面较大颗粒物是许多小颗粒物的团聚体[29]。此外,MPs处理后,叶片吸附的颗粒物主要集中分布在0.5~1.0 μm粒径范围内,与处理颗粒物粒径大小相仿,未发生团聚现象。这可能是因为生长室内连续的通风,导致沉降于叶表面的大粒径颗粒物再悬浮,因此粒径为1.0~2.5 μm的颗粒物在叶表面分布较少。

      气孔是植物与外界环境相联系的门户,空气中大气颗粒物会导致植物叶片气孔变小、气孔角质层损伤等特征变化[33-35]。从扫描电镜图像上可以观察到,不同粒径ZnO处理后叶片表面上的颗粒物对气孔和蜡质层产生了一定影响,尤其是NPs处理后叶表面被更多的颗粒物覆盖,气孔轮廓不清晰,角质层皱折不规则(图 1),这可能是由于颗粒物的物理撞击和ZnO在叶片表面分解导致了叶表面形态损伤[34]

      大气中纳米颗粒物沉降在植物叶片上,可能会在植物叶表面积聚,通过叶片毛状体或气孔进入叶片内部[37]。在模拟颗粒物环境中,欧美杨对颗粒物均有一定量的吸收,但对不同粒径颗粒物的吸收含量不同。处理16 d后,欧美杨叶片对NPs吸收量分别是BPs和MPs的2.59和2.89倍,这与叶片表面吸附的总颗粒物数量变化规律一致,而与颗粒物吸附量相反。Eichert等[35]应用共聚焦显微镜技术,发现43 nm的聚苯乙烯颗粒物可以进入气孔腔内并滞留在副卫细胞的细胞壁上,而1.1 μm的颗粒物没有在气孔器中发现,说明植物对颗粒物的吸收能力与颗粒物的粒径大小密切相关,而与颗粒物附着量关系不大。NPs粒径较小,可以直接通过气孔、角质层及胞间隙进入叶组织中,甚至部分颗粒物可能穿过细胞壁进入细胞内,而MPs因其粒径较大,大部分MPs可能会被清洗掉,较少的MPs可能穿刺或镶嵌在角质层、蜡质层或气孔器等叶片表面结构内,因此欧美杨叶片对NPs吸收量显著高于MPs和BPs。

      欧美杨叶片对ZnO的吸附及吸收具有明显的时间动态变化规律,进入植物组织内的ZnO量与附着在叶片表面的ZnO量比值最高的是NPs处理处理4 d后,约为1.08%,该比值随时间的推移而减小,处理16 d后约为0.35%。吸收与吸附比值最小的是MPs处理16 d后,仅为0.05%。这些结果说明植物对不同粒径颗粒物的吸收速率均远远低于吸附速率,且与初始相比出现负增长,这可能是由于气孔开度的减小[36]或胞内代谢过程的调节而导致的。前人在研究根系对颗粒物的吸收时发现了相似的现象,根表面附着颗粒物在初始阶段呈指数上升,当附着量达到一定值后NPs会发生转运,且转运系数随着处理浓度的增加有降低的趋势[37]。已有大量研究表明植物可以吸附吸收大气颗粒物,但是到目前为止,对吸附吸收效果进行定量化研究及吸收量与附着量之间的分配比例鲜有报道。本研究不仅为植物吸附吸收细颗粒物提供有力的证据,还可定量计算植物对颗粒物的吸附吸收分配比例,为不同植物对颗粒物的吸收能力评价提供科学理论依据。

      造成光合作用下降是诸多因素综合作用结果,气孔开度的下降、叶片表面有效光合辐射的降低以及光合作用相关酶活性的下降等都有可能导致净光合速率降低。叶片表面的颗粒物不仅通过对太阳辐射的消减影响植物叶片的光合性能,颗粒物对气孔的阻塞作用也会引起光合性能的下降[38-39]。此外,穿过角质(蜡质)层渗入叶片内部的颗粒物对植物光合作用影响更大。在模拟纳米(微米)颗粒物气溶胶的环境中,欧美杨Pn明显低于对照。NPs、BPs和MPs处理16 d后,欧美杨Pn均显著低于对照,相关研究表明ZnO对其光合活性有明显的抑制效应,并且随着纳米颗粒浓度的增加抑制效应明显[40]。气孔作为植物气体交换的门户,为呼吸作用和光合作用提供养料。植物在污染环境中生长时,需要在胁迫反应与营养供能之间相互平衡。处理4 d后,欧美杨Gs极显著低于对照,这可能与植物逃避胁迫所表现的应激反应相关,较低的气孔开度导致了Ci降低。随着处理时间的延长,欧美杨GsCi均回升,这可能是因为低浓度的Ci反馈调节已关闭气孔的再开放以保证作物正常生长。因此,处理4 d后,欧美杨Ci伴随Gs的增加逐渐上升。

      在光合作用的生理生态研究中,气孔限制分析的方法已经得到广泛的应用。气孔限制值(Ls)可以表征由于气孔导度的降低,导致进入细胞间的CO2减少以及由其带来的对光合速率的影响。相关研究表明,当Pn下降时若伴随着Ci降低或Ls升高则说明气孔限制是净光合速率降低的主要因素;如果Pn的降低伴随着Ci的上升和Ls的降低,那么光合作用的限制因素主要是非气孔因素[41]。本研究中,处理4 d时,欧美杨PnGsCi均减少,而Ls明显高于对照,说明净光合速率的下降是由于气孔限制造成。然而处理8 d后Ci逐渐上升,并且16 d后显著高于对照,而且Ls持续下降,说明后期Pn的下降主要是由非气孔因素导致,这可能是随着颗粒物胁迫的延长,欧美杨叶片叶绿体含量降低、RUBP羧化酶活性及可再生能力下降,电子传递链遭到破坏等导致叶片光合作用能力降低[42-43]

      本研究表明,植物叶片可以吸附和吸收细颗粒物,其吸附量和吸收量与粒径相关,在相同浓度的颗粒物环境中,欧美杨叶片对MPs的吸附量最大,而NPs进入植物组织最多。本研究仅以大气颗粒物中的其中一种颗粒物作为模拟材料,大气颗粒物不仅成分复杂,而且在不同地区由于污染源的不同而存在很大差异,因此探究树木对颗粒物的阻滞效应时需要结合颗粒物粒径与成分等进行深入研究。

参考文献 (43)

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