應(yīng)用15N示蹤研究歐美楊對PM2.5無機(jī)成分和的吸收與分配

劉慶倩, 石 婕, 安海龍, 曹學(xué)慧, 劉 超, 尹偉倫, 夏新莉, 郭惠紅

北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100083

劉慶倩, 石 婕, 安海龍, 曹學(xué)慧, 劉 超, 尹偉倫, 夏新莉, 郭惠紅*

北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100083

工業(yè)化和城市化的迅猛發(fā)展使得大氣顆粒物污染愈發(fā)嚴(yán)重。大氣中的顆粒物可以降低能見度、影響氣候變化[1-2]，還會影響人及其它生物的生命健康，其中PM2.5因其粒徑小、易富集有毒有害物質(zhì)、可直接經(jīng)由呼吸進(jìn)入人的肺泡和血液等特點，極易誘發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病甚至死亡[3]，已經(jīng)成為國際社會和人民群眾關(guān)注的焦點。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為長勢一致的歐美楊107 (PopuluseuramericanaNeva.)扦插苗，平均株高83 cm，平均基徑0.88 cm，每株葉片數(shù)目20片左右。2013年4月中旬扦插，8月中旬取材。供試材料共5組(4個處理組，1個對照組)，每組3株。

1.2 PM2.5發(fā)生裝置

氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)可產(chǎn)生固態(tài)氣溶膠，是校準(zhǔn)大氣顆粒物測定的有效工具[12]。本研究利用氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)將實驗溶液形成直徑≤2.5 μm的微粒，模擬PM2.5顆粒。

圖1 PM2.5發(fā)生裝置示意圖Fig.1 Illustration of the PM2.5 generation system

將15NH4NO3和NH415NO3(購自上?；ぱ芯吭海S度為10%)分別配制成2 g/L的溶液，以穩(wěn)定的流速加入氣溶膠發(fā)生器(TSI3076，臺灣章嘉企業(yè)有限公司)。當(dāng)植物生長室(100 cm×50 cm×100 cm)的氣溶膠顆粒濃度達(dá)到所需實驗濃度后，將歐美楊放入植物生長室，并通過調(diào)節(jié)流量計流速來維持實驗濃度，每天處理2 h，處理完畢后將植物移出植物生長室，共處理7 d。植物生長室內(nèi)PM2.5濃度通過Dustmate(DM1781，Turnkey Instruments Ltd Northwich England)測定獲得。PM2.5發(fā)生裝置參照麥華俊等[12]的方法加以改進(jìn)，如圖1所示。

1.3 15N同位素處理方法

當(dāng)植物生長室內(nèi)的PM2.5濃度達(dá)到實驗要求后，將歐美楊植株放入植物生長室。放入前花盆上口用保鮮膜嚴(yán)密覆蓋，以避免室內(nèi)空氣中PM2.5與土壤接觸。實驗分3組：

(1)15NH4NO3處理 設(shè)置輕度污染濃度(100 μg/m3)和重度污染濃度(200 μg/m3)兩個濃度梯度，每個濃度梯度設(shè)3個重復(fù)。PM2.5濃度梯度的設(shè)置根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)。

(2)NH415NO3處理 PM2.5濃度設(shè)置同上，每個濃度梯度設(shè)3個重復(fù)。

(3)對照組 與處理組同時進(jìn)行，不做通氣處理。目的是與PM2.5處理的植株進(jìn)行對照分析。

處理于每天10:00—12:00進(jìn)行，實驗周期為1周。

1.4 樣品處理與測定指標(biāo)

在處理前及處理后的1—6d，每組樣品于每日10:00分別從植株頂端向下第7片功能葉開始取樣，每天取1片，共取6片。葉片按清水→洗滌劑→清水→1%鹽酸→3次去離子水順序沖洗后，于105 ℃下殺青30 min，隨后在80 ℃下烘干至恒重，電磨粉碎后過60目篩混勻。樣品送至中國科學(xué)院植物研究所生態(tài)與環(huán)境科學(xué)穩(wěn)定同位素實驗室，采用同位素比率質(zhì)譜儀(型號為DELTA V Advantage, Thermo Fisher Scientific, Inc., USA)測定15N豐度和全氮含量(N%)。

處理7d后(第7天處理的次日，即第8天)，10:00整株收獲歐美楊植株。單株樣品解析為葉片、葉柄、樹皮、木質(zhì)部(莖)、髓(莖)、粗根(≥2 mm)、細(xì)根(<2 mm)，按上述方法測定各組織器官15N豐度和全氮含量(N%)。

有關(guān)計算公式[13]為：

15N吸收量(mg/g,干重)=全氮含量(mg/g,干重)×Ndff(%)

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析，應(yīng)用Microsoft Excel 2007繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理條件下歐美楊葉片15N吸收速率和15N含量的動態(tài)變化

圖2 不同處理條件下歐美楊葉片15N吸收速率的動態(tài)變化Fig.2 Dynamics of 15N absorption rate in P. euramericana leaves under different treatments

圖3 不同處理條件下歐美楊葉片15N含量的動態(tài)變化Fig.3 Dynamics of 15N content in P.euramericana leaves under different treatments

2.2 歐美楊不同組織器官對PM2.5中和的吸收與分配

2.2.1 不同處理條件下歐美楊不同組織器官中的15N含量(mg/g,干重)

圖4 處理7d后不同處理條件下歐美楊組織器官中的15N含量Fig.4 15N content of P. euramericana tissues and organs 7 days after different treatments誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差，不同字母表示差異性顯著(P<0.05)，相同字母表示差異性不顯著(P≥0.05)，小寫字母代表同一器官不同處理間的差異性，大寫字母代表同一處理不同器官間的差異性

2.2.2 不同處理條件下歐美楊不同組織器官的Ndff(%)和15N分配率(%)

3 討論

表1 處理7d后不同處理條件下歐美楊組織器官的Ndff和15N分配率

4 結(jié)論

[1] 劉愛霞, 韓素芹, 蔡子穎, 張敏, 李向津. 天津地區(qū)能見度變化特征及影響因素研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2012, 21(11): 1847-1850.

[2] Keim B D, Meeker L D, Slater J F. Manual synoptic climate classification for the East Coast of New England (USA) with an application to PM2.5concentration. Climate Research, 2005, 28: 143-154.

[3] Vinikoor-Imler L C, Davis J A, Luben T J. An ecologic analysis of county-level PM2.5concentrations and lung cancer incidence and mortality. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2011, 8(6): 1865-1871.

[4] Behera S N, Sharma M. Transformation of atmospheric ammonia and acid gases into components of PM2.5: an environmental chamber study. Environmental Science and Pollution Research, 2011, 19(4): 1187-1197.

[5] Yin L Q, Niu Z C, Chen X Q, Chen J S, Zhang F W, Xu L L. Characteristics of water-soluble inorganic ions in PM2.5and PM2.5-10in the coastal urban agglomeration along the Western Taiwan Strait Region, China. Environmental Science and Pollution Research, 2014, 21(7): 5141-5156.

[6] 陳永橋, 張逸, 張曉山. 北京城鄉(xiāng)結(jié)合部氣溶膠中水溶性離子粒徑分布和季節(jié)變化. 生態(tài)學(xué)報, 2005, 25(12): 3231-3236.

[7] 陶俊, 張仁健, 董林, 張濤, 朱李華, 韓靜磊, 許振成. 夏季廣州城區(qū)細(xì)顆粒物PM2.5和PM1.0中水溶性無機(jī)離子特征. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(7): 1417-1424.

[8] Morrow P E, Utell M J, Bauer M A, Speers D M, Gibb F R. Effects of near ambient levels of sulphuric acid aerosol on lung function in exercising subjects with asthma and chronic obstructive pulmonary disease. Annals of Occupational Hygiene, 1994, 38(inhaled particles VII): 933-938.

[9] McDonald A G, Bealey W J, Fowler D, Dragosits U, Skiba U, Smith R I, Donovan R G, Brett H E, Hewitt C N, Nemitz E. Quantifying the effect of urban tree planting on concentrations and depositions of PM10in two UK conurbations. Atmospheric Environment, 2007, 41(38): 8455-8467.

[10] 趙晨曦, 王玉杰, 王云琦, 張會蘭. 細(xì)顆粒物(PM2.5)與植被關(guān)系的研究綜述. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(8): 2203-2210.

[11] 王蕾, 高尚玉, 劉連友, 哈斯. 北京市11種園林植物滯留大氣顆粒物能力研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2006, 17(4): 597-601.

[12] 麥華俊, 蔣靖坤, 何正旭, 郝吉明. 一種納米氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計及性能測試. 環(huán)境科學(xué), 2013, 34(8): 2950-2954.

[13] 張芳芳, 韓明玉, 張立新, 劉長虹, 趙彩平. 紅富士蘋果對初夏土施15N-尿素的吸收、分配和利用特性. 果樹學(xué)報, 2009, 26(2): 135-139.

[14] 顧曼如.15N在蘋果氮素營養(yǎng)研究中的應(yīng)用. 中國果樹, 1990, (2): 46-48.

[15] 徐季娥, 林裕益, 呂瑞江, 陳良, 高占峰. 鴨梨秋施15N-尿素的吸收與分配. 園藝學(xué)報, 1993, 20(2): 145-149.

[16] 趙登超, 姜遠(yuǎn)茂, 彭福田, 何乃波, 張序, 隋靜, 侯立群. 冬棗秋季不同枝條葉施15N-尿素的貯藏、分配及再利用. 核農(nóng)學(xué)報, 2007, 21(1): 87-90.

[17] Guak S, Neilsen D, Millard P, Looney N E. Leaf absorption, withdrawal and remobilization of autumn-applied urea-15N in apple. Canadian Journal of Plant Science, 2004, 84(1): 259-264.

[18] Miller A J, Smith S J. Cytosolic nitrate ion homeostasis: could it have a role in sensing nitrogen status? Annals of Botany, 2008, 101(4): 485-489.

[19] 田東梅, 孫敬茹, 張曦, 蘇曉華, 沈應(yīng)柏. 3種黑楊無性系耐氮瘠薄能力的差異. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2010, 19(9): 75-79.

[20] Zhao S P, Ye X Z, Zhang Y Z, Zheng J C. The contribution of bnnrt1 and bnnrt2 to nitrate accumulation varied according to genotypes in Chinese cabbage. African Journal of Biotechnology, 2013, 9(31): 4910-4917.

[21] 潘中耀. 橡膠樹幼苗對不同形態(tài)15N標(biāo)記氮肥的吸收、分配和利用特性研究 [D]. 海南: 海南大學(xué), 2010.

[22] Nagai M, Ohnishi M, Uehara T, Yamagami M, Miura E, Kamakura M, Kitamura A, Sakaguchi S, Sakamoto W, Shimmen T, Fukaki H, Reid R J, Furukawa A, Mimura T. Ion gradients in xylem exudate and guttation fluid related to tissue ion levels along primary leaves of barley. Plant, Cell & Environment, 2013, 36(10): 1826-1837.

[23] 董雯怡, 聶立水, 韋安泰, 李吉躍, 沈應(yīng)柏, 張志毅. 毛白楊對15N-硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收、利用及分配. 核農(nóng)學(xué)報, 2009, 23(3): 501-505.

[24] 管長志, 曾驤, 孟昭清. 山葡萄(VitisamurensisRupr)晚秋葉施15N-尿素的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)、貯藏及再分配的研究. 核農(nóng)學(xué)報, 1992, 6(3): 153-158.

Absorption and Distribution of PM2．5NH+4and NO－3in Populus euramericana Neva．

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201304301)

2014-03-21; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201403210510

*通訊作者Corresponding author.E-mail: guohh@bjfu.edu.cn

LIU Qingqian, SHI Jie, AN Hailong, CAO Xuehui, LIU Chao, YIN Weilun, XIA Xinli, GUO Huihong*

CollegeofBiologicalScienceandBiotechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China