3種常綠樹揮發(fā)物成分對空氣負離子及微生物的影響

趙亞紅，徐翠霞，馬 玲，王 彬，韋賽君，呂嘉欣，高 巖，張汝民

（1. 浙江農(nóng)林大學 林業(yè)與生物技術學院，浙江 杭州 311300；2. 浙江省林業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310023）

植物揮發(fā)性有機化合物(VOCs)是植物體通過次生代謝途徑合成的低沸點、小分子一類化合物[1]，在植物與環(huán)境因子、微生物和動物互作中起著重要作用[2]，特別對改善空氣質量和提高人類身體健康有積極意義[3]。植物在生長過程中，會產(chǎn)生大量的空氣負離子。植物進行光合作用利用二氧化碳(CO2)產(chǎn)生氧氣(O2)過程中會形成空氣負離子[4]；樹葉和樹木尖端放電也能產(chǎn)生空氣負離子，針葉樹比闊葉樹更容易產(chǎn)生負離子[5]。空氣負離子既能降低PM2.5濃度，也能有效抑制細菌和真菌的生長[6]；同時也是治療多種慢性疾病的良藥[7]，不僅可以緩解人體心血管的舒張壓和提高內分泌的穩(wěn)定性，還能有效降低情緒和血清素含量[8]。FATEMI等[9]在研究植物VOCs對獼猴桃Actinidia chinensis防腐作用時發(fā)現(xiàn)：黑香芹Petroselinum crispum和茴香Foeniculum vulgare精油能夠完全抑制獼猴桃果實灰霉病Botrytis cinerea的生長；ZHENG等[10]研究發(fā)現(xiàn)：反式肉桂醛對水稻Oryza sativa稻曲病病菌Ustilaginoidea virens感染具有較強的抑制作用。受害植物經(jīng)(E)-2-己烯醛和(Z)-3-乙酸己酯處理后能釋放更多的萜烯類化合物[11]；萜烯類物質不僅具有增強植物的抗病能力[12]，還能夠抑制真菌生長[13]。同時萜烯類化合物具有重要的藥用價值，如紫杉醇具有抗腫瘤效果，青蒿素具有抗瘧疾特效[14]。植物釋放的揮發(fā)物不僅是天然的“防腐劑”“保健品”，也是天然的空氣“清潔劑”。林富平等[15]研究金桂Osmanthus fragrans‘Thunbergii’揮發(fā)物對空氣微生物的作用時發(fā)現(xiàn)：金桂對空氣中細菌、真菌和放線菌具有較強的抑制作用；謝慧玲等[16]研究發(fā)現(xiàn)：皂莢Gleditsia sinensis和五角楓Acer truncatum等8種植物揮發(fā)物單體對細菌和放線菌有明顯的抑制效果。目前，已有研究者在植物VOCs的抑菌活性[17]和林分空氣負離子[18]的研究等方面取得了較大進展。但關于楊梅Myrica rubra、青梅Vatica mangachapoi、茶Camellia sinensis植物VOCs對環(huán)境的研究尚未見報道。本研究以楊梅、青梅和茶為對象，測定了3種植物VOCs組分和含量、園內空氣負離子和微生物含量，探討植物VOCs的抑菌和凈化空氣作用，為選擇良好的經(jīng)濟林環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地和供試樹種

樣地設在杭州市臨安區(qū)浙江農(nóng)林大學東湖校區(qū)楊梅園、青梅園和茶園(純園無其他樹種)教學實習基地(30°15′25″N，119°43′39″E)，該研究區(qū)屬中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，雨熱同期，有梅雨季節(jié)，空氣濕潤，年日照時數(shù)為1 939.0 h。年均氣溫為16.4 ℃，1月最低，平均為?0.4～5.5 ℃，極端最低為?13.1 ℃；7月最高，平均為24.4～30.8 ℃，極端最高為41.2 ℃。全年降水量為1 628.6 mm，年平均相對濕度在70%以上?？諘绲貫閳@外環(huán)境(無樹木的影響)；楊梅樹高約6.0 m，胸徑15.0 cm；青梅樹高約5.0 m，胸徑10.0 cm；茶樹長勢均勻，高約0.5 m。無病蟲害，樹木生長健康。2018年5月選擇晴朗無風的天氣，氣溫約30 ℃的條件下開展實驗。

1.2 研究方法

1.2.1 VOCs的采集分析 采用QC-2型大氣采樣儀(北京市勞動保護科學研究所)，在距地面1.5 m(人正常呼吸的平均身高)處，對空曠地(對照)、楊梅、青梅、茶的樹木VOCs以及園內空氣VOCs進行采集，采集時間為9:00?11:00。氣體循環(huán)流量為100 mL·min?1，采氣時間為1 h，采樣重復5次，采集后采摘3種樹木葉片稱量。3種樹木及空氣VOCs分析參照GAO等[19]的方法，采用動態(tài)頂空氣體循環(huán)熱脫附/氣相色譜/質譜聯(lián)用分析技術(TDS-GC-MS)。通過TDS-GC-MS技術分析，獲得VOCs的總離子流量色譜圖，利用NIST2008譜庫查詢，色譜峰面積進行定量分析，并計算相對含量。

1.2.2 空氣負離子測定 采用ITC-201A 型(Andes公司生產(chǎn)，日本)空氣負離子測定儀，在高度為1.5 m處測定空曠地(對照)、楊梅、青梅和茶園內的空氣負離子數(shù)。選擇5個采樣點，采樣點的距離為2棵樹之間距離取平均值，采樣時間為7:00、10:00、13:00、16:00和19:00。

1.2.3 培養(yǎng)基的制備 按照周德慶[20]的方法配制細菌培養(yǎng)基(牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基)、真菌培養(yǎng)基(馬丁式培養(yǎng)基)和放線菌培養(yǎng)基(高式1號培養(yǎng)基)。按照GAO等[19]方法分別配制了體積分數(shù)為0.1%、0.5%、1.0% 的羅勒烯、檸檬烯、壬醛和癸醛4種單體的培養(yǎng)基。

1.2.4 微生物采集 采用自然沉降法[16]，在空曠地(對照)、楊梅、青梅和茶園內均設5個采樣點，采集微生物。將3種不同培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿分別置于離地面1.5 m高的平板支架上，距樹干水平距離1.0 m，采集空氣中自然漂浮的微生物(細菌、真菌和放線菌)。采樣時間為7:00、10:00、13:00、16:00和19:00，培養(yǎng)基在空氣中暴露10 min后，用保鮮膜包好后帶回實驗室置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。接菌的培養(yǎng)皿在25 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h后進行細菌菌落統(tǒng)計，培養(yǎng)72 h后進行真菌菌落統(tǒng)計，培養(yǎng)96 h后進行放線菌菌落統(tǒng)計。根據(jù)微生物計算公式處理微生物數(shù)[15]，計算公式為：菌數(shù)(個·m?3)=50 000N/(AT)。其中：N為培養(yǎng)皿中菌落平均數(shù)(個)；A為培養(yǎng)皿的面積(cm2)；T為打開培養(yǎng)皿皿蓋的時間(min)。抑菌率=(對照菌數(shù)?處理菌數(shù))/對照菌數(shù)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為5次重復的平均值±標準差，利用Origin 9.0進行統(tǒng)計分析和作圖。統(tǒng)計方法采用One-Way ANOVA，進行Tukey多重比較(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 3種常綠樹VOCs成分分析

3種常綠樹VOCs總離子流圖共有41種化合物(圖1和表1)，主要有萜烯類、酯類、醛類、醇類、酮類和苯類。楊梅檢測到22種化合物，其中：萜類有15種，占總量的78.5%，主要有α-草烯、香芹醇、羅勒烯、檸檬烯、石竹烯；4種醇類占總量的19.7%；1種醛類占總量的1.2%。青梅共檢測到17種化合物，其中：3種酯類占總量的54.1%，主要有乙酸葉醇酯、丁酸辛酯；萜烯類有5種，占總量的11.1%；4種醛類占總量的12.9%；2種醇類占總量的8.6%。茶檢測到26種化合物，其中：5種酯類占總量的40.8%，主要有乙酸葉醇酯、丁酸辛酯、丁酸庚酯；萜類有8種，占總量的17.9%；4種醛類占總量的13.0%；3種醇類占總量的5.2%；2種酮類占總量的5.1%。

比較3種常綠樹釋放的VOCs成分，楊梅釋放VOCs總量最大，其次為茶、青梅。楊梅釋放的VOCs主要是α-草烯；青梅和茶釋放VOCs均以乙酸葉醇酯為主，但是茶特有的醛類VOCs是庚醛，而青梅特有的醛類是己烯醛。

圖1 3種常綠樹單株VOCs總離子流圖Figure 1 Total ion flow diagrams of three evergreen single plant VOCs

表1 3種常綠樹VOCs成分分析Table 1 VOCs components of 3 evergreen plants

2.2 3種常綠樹園空氣VOCs分析

從圖2和表2可以看出：空氣中的VOCs總量從高到低分別為青梅園、茶園、楊梅園、空曠地?？諝庵兄饕且员筋悶橹鳎灿猩倭康妮葡╊?，這些萜烯類化合物在植物中也存在?？諘绲貦z測出12種物質，其中：5種苯類占總量的74.2%，2種萜烯類占總量的10.3%，3種烷烴類占總量的11.9%，2種醛類占總量的3.6%。楊梅園空氣中VOCs共檢測出10種物質，4種苯類占總量的54.8%，3種萜烯類占總量的35.6%。青梅園空氣中VOCs共檢測出9種物質，3種苯類占總量的35.4%，4種萜烯類占總量的52.2%，1種醛類占總量的3.1%。茶園空氣中檢測出13種化合物，包括4種苯類占總量的50.1%，5種萜烯類占總量的36.5%。

比較3種常綠樹園和空曠地空氣的VOCs發(fā)現(xiàn)：青梅園VOCs總量最高，其次為茶園、楊梅園。楊梅園、青梅園和茶園萜烯類化合物均高于35%。從萜烯類化合物總量從高到低依次為青梅園、茶園、楊梅園，苯類化合物總量從高到低依次為空曠地、楊梅園、茶園、青梅園。

圖2 3種常綠樹園空氣VOCs總離子流圖Figure 2 Total ion flow charts of air VOCs in 3 evergreen plants gardens

表2 3種常綠樹園空氣VOCs成分分析Table 2 Air VOCs composition in three evergreen plants gardens

2.3 3種常綠樹園空氣負離子的比較

由圖3可知：空氣負離子數(shù)在13:00最低，在7:00和19:00最高。楊梅、青梅、茶園內、空曠地日平均值分別為 2 559.2、2 660.0、1 878.4、1 078.8個·cm?3。楊梅園中在 7:00空氣負離子數(shù)最高，13:00比7:00減少了63.9%，19:00比13:00增加了44.0%；青梅園中的負離子數(shù)，13:00比7:00減少了47.8%，19:00比7:00減少了21.4%；茶園中的負離子數(shù)7:00比13:00多51.6%，比19:00多19.9%。

2.4 空氣微生物分析

從圖4A可以看出：空曠地細菌數(shù)量明顯高于楊梅園、青梅園和茶園。楊梅園、青梅園和茶園均在13:00降幅最大，分別比空曠地降低了53.1%、55.5%和46.9%。茶園細菌數(shù)量高于楊梅園和青梅園。在7:00、10:00、13:00、16:00、19:00，茶園細菌數(shù)量比空曠地明顯下降，分別下降了27.3%、41.3%、46.9%、43.8%和37.4%(P＜0.01)，表明不同園子內隨著時間的變化，細菌數(shù)量明顯不同。從圖4B可以看出：楊梅園、青梅園和茶園真菌的數(shù)量低于空曠地。各園真菌數(shù)量在13:00降幅最大，楊梅園、青梅園和茶園比空曠地分別降低了46.2%、41.7%、38.6%。13:00?19:00空氣中的微生物數(shù)量明顯高于7:00?13:00。從圖4C可以看出：空曠地放線菌數(shù)量高于楊梅園、青梅園和茶園。楊梅園在13:00抑制率最大，青梅園在10:00降幅最大，茶園在16:00降幅最大，分別降低了50.0%、51.7%、48.5%。各園放線菌降幅程度在16:00?19:00 明顯高于 7:00?13:00。

圖3 3種常綠樹園空氣負離子日變化Figure 3 Diurnal variations of negative air ions in 3 evergreen plants

2.5 單體對空氣微生物的影響

在單體體積分數(shù)為0.1%～0.5%的水平下，羅勒烯抑制細菌的生長效果比檸檬烯明顯，在體積百分比為1.0%的水平下，羅勒烯抑制真菌生長的效果比檸檬烯更有效，而檸檬烯抑制放線菌的作用比羅勒烯更強(圖5)。2種單體醛對空氣微生物具有明顯的抑制作用，體積分數(shù)為1.0%的壬醛對細菌、真菌和放線菌的抑制率分別為33.1%、43.4%和54.5%；體積分數(shù)為1.0%的癸醛對細菌、真菌和放線菌的抑制率分別為48.6%、37.4%和56.1%。在4種單體中，醛類比萜烯類抑制速率更大，醛對細菌、真菌和放線菌生長有明顯的抑制作用。

圖4 3種常綠樹園微生物變化Figure 4 Variation of microbial content in three evergreen plants gardens

3 討論

植物基因型是決定VOCs種類和含量的重要因素，植物種屬間的差異導致釋放出的VOCs物質種類與比例具有明顯的差異[21]。吳章文等[22]研究發(fā)現(xiàn)：8種柏科Cupressaceae(崖柏Thuja sutchuenensis、日本扁柏Chamaecyparis obtusa、干香柏Cupressus duclouxiana、柏木Cupressus funebris、西藏柏木Cupressus torulosa、側柏Platycladus orientalis、圓柏Sabina chinensis、叉子圓柏Sabina vulgaris)植物釋放的VOCs以萜烯類物質為主；迷迭香Rosmarinus officinalis[23]和雪松Cedrus deodara[24]釋放的VOCs雖然都是萜烯類物質，但是種類和含量各不相同。本研究顯示：茶葉片VOCs是以乙酸葉醇酯為主，與喬如穎等[25]的研究一致，因為白茶葉片富有茸毛，而茸毛是儲存、合成VOCs的場所，葉表面附著大量的己烯醛和己烯醇，它們都是合成乙酸葉醇酯的前體，所以乙酸葉醇酯最高。MIYAZAWA等[26]研究發(fā)現(xiàn)：青梅果實在未成熟時以醛類物質為主，而成熟期時以酯類物質為主，這與本研究結果相同。楊梅葉片VOCs以萜烯類物質為主，主要是α-草烯，與尹潔等[27]發(fā)現(xiàn)楊梅葉中的VOCs主要是α-葎草烯的研究結果一致。

圖5 4種單體對空氣微生物的影響Figure 5 Effect of 4 monomer concentrations on the micro-organisms

植物能夠產(chǎn)生大量的空氣負離子是由于存在植物葉片“尖端放電”[28]和“光電效應”[9]的現(xiàn)象。白保勛等[29]研究發(fā)現(xiàn)：年均空氣負離子數(shù)量從高到低依次為森林、果園、農(nóng)田、綠地；王洪俊[30]發(fā)現(xiàn)：喬灌草復層結構、灌草結構、草坪空氣負離子數(shù)量依次遞減。本研究表明：楊梅園、茶園和青梅園的空氣負離子日平均數(shù)量明顯高于空曠地。植物VOCs能夠促進空氣電離，有助于形成空氣負離子，從而增加空氣負離子的數(shù)量，萜烯類化合物有重要促進作用。3種樹園中的空氣負離子數(shù)量日變化呈早晚較高，中午低的趨勢，可能原因是早晚濕度大、溫度低影響了空氣負離子數(shù)量，中午溫度和光照強度逐漸增高，植物為了減少蒸騰作用，關閉氣孔，植物VOCs釋放的速率下降，從而空氣負離子數(shù)量減少。

植物釋放的VOCs具有重要的生態(tài)學功能，參與植物直接與間接防御反應，同時防止病菌及微生物的感染。SALEM等[31]和BEHBAHANI等[32]分別研究發(fā)現(xiàn)：桉樹Eucalyptus robusta油和橄欖Canarium album精油對細菌具有較強的抑菌作用。GAO等[19]研究發(fā)現(xiàn)：醛類物質也具有抑菌作用。本研究顯示：楊梅園、青梅園和茶園中都有α-蒎烯、莰烯、檸檬烯和壬醛，且細菌、真菌和放線菌的相對含量明顯低于空曠地，說明植物VOCs對微生物的生長有抑制作用。同時采用植物VOCs較高的羅勒烯、檸檬烯、壬醛和癸醛對空氣微生物的抑制作用發(fā)現(xiàn)：隨著單體體積分數(shù)的增加，抑制效果也逐漸增強，在高體積分數(shù)時抑菌效果最明顯；醛類物質抑制細菌、真菌和放線菌的效果比萜烯類更明顯。楊梅園、青梅園、茶園的空氣微生物相對含量低于空曠地，說明羅勒烯、檸檬烯、壬醛和癸醛在植物中可能是抑菌的主要物質[19,33]。

植物VOCs和空氣負離子是森林康養(yǎng)的重要組成部分，森林康養(yǎng)是依托植物釋放對人有益的VOCs和殺菌素，能夠增加空氣負離子[34]和提高人的免疫力[35]，是改善人類身心健康的一種療養(yǎng)方式[36]。同時能夠降低促炎細胞因子和應激激素的水平[36]，無論是生理上還是心理上都能得到放松[37]。空氣負離子能夠調節(jié)人的內循環(huán)系統(tǒng)，對氣管炎、冠心病、腦血管等疾病具有一定的療效[38]。楊梅園中存在對人有益的VOCs，如α-草烯、羅勒烯、檸檬烯、花柏烯和石竹烯；茶園存在對人有益的VOCs有α-派烯、羅勒烯、檸檬烯，還有抑制微生物生長的庚醛、苯甲醛、辛醛、壬醛；青梅園中有對人有益的VOCs有α-柏木烯、羅勒烯、檸檬烯，也存在壬醛、癸醛和辛醛?？偟膩碚f，3種常綠樹園在早晚時空氣負離子達到最高狀態(tài)，微生物的抑制效果亦是最強的。

綜上所述，楊梅釋放的VOCs主要以萜烯類為主，青梅和茶均以酯類為主；3種常綠樹園都能釋放出對人體有益的VOCs組分，它能夠抑制空氣微生物的生長，同時具有促進空氣負離子形成和改善空氣質量的作用。青梅園內的空氣負離子比其他園林高，3種常綠樹園內的空氣質量在7:00和19:00較好，中午最差；園內微生物中細菌相對含量最高，真菌次之，放線菌最少。茶園的微生物(細菌、真菌、放線菌)相對含量居首位，從7:00?19:00呈逐漸增加的趨勢。細菌抑制率最高的是青梅園，真菌和放線菌抑制率最高的是楊梅園。