空气凤梨叶表鳞片吸附大气颗粒物的研究(1)-leep

目录

１绪论

1.1 空气凤梨的简介与特性 (3)

1.2 实验背景………………………………………………………………… .3

1.3 实验目的与意义 (4)

2 实验材料与方法

2.1 材料处理........................................................................... .4 2.2大气颗粒物胁迫处理............................................................. .4 2.3空气凤梨在颗粒物污染胁迫前后的光合特征.. (4)

2.4叶内元素成分与含量分析 (4)

2.5叶表颗粒物分析 (4)

2.6 数据处理 (5)

3 结果与分析

3.1空气凤梨受颗粒污染物胁迫前叶绿素含量 (5)

3.2空气凤梨叶内元素含量及分析 (6)

3.3空气凤梨叶表颗粒物元素分析 (8)

4 结论和讨论 (9)

致谢 (11)

参考文献 (12)

空气凤梨叶表鳞片在大气颗粒物吸收过程中的作用研究

生态专业戚琪

指导教师李鹏

摘要：选择维路提拉空气凤梨做去除叶表鳞片处理，设置3个梯度，即鳞片全保留、1/2叶片表面鳞片去除及鳞片全去除，研究鳞片对吸附大气颗粒物的影响，将颗粒物从空气凤梨叶片表面清洗下，对叶片进行消解，通过电感耦合等离子光谱分析（ICP，Inductively Coupled Plasma）等方法测定叶内颗粒物中所包含的主要成分及其各成分的含量；再每组空气凤梨中随机摘取下叶片，将叶片经过脱水，烘干等处理后，使用扫描电镜分析仪测其叶表吸附颗粒物后所含化学元素种类及含量。通过以上实验处理，分析空气凤梨叶表鳞片对大气颗粒物吸附的影响。（摘要不是这样写的，要突出主要结果及结论，请重写！）

关键词：空气凤梨；鳞片；大气颗粒物；吸收

Function of leaf epidermal trichomes of Tillandsia velutina on the absorption of atmospheric particulates

Student majoring in ecology Qi Qi

Tutor Li Peng

Abstract：We choose Tillandsia velutina as materials，removed the trichomes of leaves by hand，and set three different trichomes removal gradients--saved all of trichomes、removed the half of trichomes and removed all of trichomes—to investigate the effects of the trichomes existed or not and more or less on the absorption of Atmospheric particulates，cleaned and digestion the leaves，then use the Inductively coupled plasma(ICP) to research the important component and its content. Random took leaves in each group, through the dewatering and dry and so on，use Scanning election microscopy(SEM) research the Chemical elements and contents of the leaf surface. Through the experimental data processing，analysis the effect of leaves surface trichomes on the absorption of atmospheric particulates. (修改好中文摘要后再重写英文摘要！)

Key word:Tillandsia; trichomes; atmospheric; absorption

1 绪论

1.1 空气凤梨的简介和特性

空气凤梨（Tillandsia sp.）是生存于空气中，不需要土壤即可生长，依靠叶片吸收空气中的水分和营养物质的空气植物。空气凤梨由于适应性强，便于照顾，种类繁多，主要集中在凤梨科（Bromeliaceae）铁兰属（Tillandsia）中，包括550多个品种及90个变种[1]，观赏价值高，因此越来越多的受到人们的关注，现已全世界广泛引种栽培[2]。除此之外，空气凤梨生存于空气中的特殊性，引起了国内外各位学者的研究兴趣，并在许多方面取得了进展。它们虽然有真正的根，但仅起到固定植株及进行少量气体交换的作用，能使之附着在岩石，树木或沙漠中。而真正吸收水分和养分的器官是其叶片表面的独特结构-鳞片[3]。空气凤梨叶表鳞片是由三种细胞构成的，即翼状细胞，环状细胞，碟状细胞，这三种细胞各司其职，翼状细胞负责捕捉空气中的水分和营养物质，再环状细胞到达碟状细胞，因为碟状细胞能通过柄状细胞与叶片内部的叶肉细胞相连，因此水分和营养物质就通过这条途径进入叶片内部[4]。这种特殊的鳞片结构也能在空气中吸收污染物，所以空气凤梨是研究环境污染及控制污染的良好实验材料。

1.2 实验的背景

随着“雾霾”天气持续、大范围的暴发，控制颗粒物污染已成为当前大气污染治理的重中之重。控制颗粒物污染既需要从源头上控制直接排放的颗粒物和形成二次颗粒物的前体物（SO2、NO x、VOC和NH3等）[5]，也要加大力度研发各种颗粒物的捕集新技术、新设备，推广新型、实用、经济的污染治理技术[6]。研究表明，颗粒物最容易撞击并滞留在湿润、粗糙或带电的表面上[7]。因此，植物的叶片凭借其表面具有一定的湿润度和粗糙度，非常适合颗粒物的沉积[8][9]。不同的植物具有不同的滞留颗粒物能力，植物自身的形态学特征，如树冠结构、枝叶密度等都会对颗粒物的沉降量造成影响[10]，而与大气直接接触的植物叶片对颗粒物沉降的影响更为直接和强烈。叶片的大小、粗糙程度及上下表皮具有毛的形状、数量是造成滞留颗粒物能力差异的主要原因[11][12]。因此，研究叶片表面粗糙的植

物捕捉颗粒物的效果和机制，不仅可将其直接应用于自然环境中对大气污染物的有效净化，而且从仿生学角度说，也能促进高效捕捉大气颗粒物相关技术和设备的研究和发展。

1.3 实验的目的与意义

大气中的颗粒物来源复杂、组成复杂多变，K、Ca、Na、Mg、Al、Fe、Cu、Zn、Cd、Pb、NO3－、SO42－、NH4+、Cl－、PAH等各种各样的有机组分、无机组分、水溶性离子成分和痕量元素均可以包含其中[13]-[16]。而对空气凤梨的研究已表明，做为常用的大气污染指示植物，空气凤梨对以上所述多种成分（包括无机成分与有机成分）均可以有效捕获和吸收[17][18]。从理论上讲，做为覆盖在空气凤梨叶片表面的“特殊结构”，鳞片在接触空气中飘浮的颗粒时，也能像吸收水分和养分一样，先通过长长的翼状细胞捕捉，然后部分成分通过环状细胞、碟状细胞和柄状细胞而进入到叶片内部。鳞片的存在不仅对叶片有保护作用，更增加了叶片的表面积和粗糙度，势必会增加对大气中颗粒物的捕捉能力。

本实验拟选择特殊植物类群空气凤梨为研究对象，将其暴露于大气颗粒物污染环境中，通过人工鳞片去除技术，比较鳞片的有无对其捕捉颗粒物的影响，阐明叶表面覆盖鳞片的空气凤梨是否能够快速有效地捕捉大气颗粒物。为人们选择更有效的净化大气污染植物种类提供理论依据，也为促进高效捕捉大气颗粒物相关设备和技术的研发提供智力支持。

2 材料与方法

2.1 材料处理

实验使用维路提拉空气凤梨，选取15株生长健康、大小相似的植株，每组5株，分为3组，分别编号为ABC。用游标卡尺测每株的直径大小、叶长和叶宽，用叶面积仪测其叶面积，用1/1000天平称其鲜重。用胶带粘附叶片的上表面和下表面5-6次，去除其叶表鳞片，力度不宜过大，保证植株的完整，反复操作直至鳞片去除为止。A组为对照组，叶片表面不去除鳞片；B组去除叶片1/2表面积上覆盖的鳞片，C组去除叶表全部鳞片。空气凤梨叶片上尖下宽，整体呈三角形，可通过叶长和叶宽计算1/2面积或通过叶面积仪直接测量。

2.2 大气颗粒物胁迫处理

本研究主要目的为检测空气凤梨叶表鳞片对颗粒物的滞留与吸收能力，因此，只要保证不同处理的植株受到的颗粒物污染浓度相同即可。为操作简便及更有利于反映自然情况，拟将空气凤梨直接置于实际环境中进行检测。

一般认为，15mm的降雨量就可以冲掉植物叶片的降尘，将植物置于大气中7-10天为采样时间间隔期，即能满足试验数据收集要求[19]。因此，拟将空气凤梨喷洒去离子水，冲掉叶片上原有尘土。然后置于不受降雨影响环境中10-15天（如室内或半开放室外环境中），使其重新附着颗粒物。

2.3 空气凤梨在颗粒物污染胁迫前后的光合特征

使用叶绿素仪测定叶绿素含量。使用光合仪测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、叶片水分利用率(WUE)等。

2.4 叶内元素成分与含量分析

以湿法消解处理样品。准确称取凤梨成熟叶片2.0g，置于恒温干燥箱中，105℃杀青30min，50℃下恒温干燥至恒重。用剪刀将叶片尽可能剪碎，取0.2g入长颈圆底烧瓶中，加入浓硝酸：高氯酸（3：1）溶液进行消解。消解后的溶液倒入25mL的容量瓶，蒸馏水定容。然后使用电子耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)分析其中的Al3+、Fe2+、Pb2+、Ca+、Na+等多种阳离子的质量浓度，使用高精度离子色谱仪分析其中的F-、Cl-、NO3-和SO42-等多种阴离子的浓度。

2.5 叶表颗粒物分析

通过扫描电子显微镜（SEM）法对空气凤梨叶表面形态进行检测。选取鳞片未去除和已去除植物各1株，取成熟植株的相同部位、叶龄近似的叶片，用蒸馏水反复冲洗，使叶片上的灰尘和细菌尽可能被冲洗掉，再用滤纸吸走多余的水分，用4%的戊二醛固定48h，蒸馏水洗涤，再分别用30%、50%、70%、80%、90%、100%（2次）的乙醇梯度脱水各10min。脱水后立即将样品固定在载玻片上，略微施加压力使欲观察的叶表面平整，置35℃干燥箱里干燥过夜。在5×10-1Pa下，KYKY SBC-12离子溅射仪镀膜，扫描电子显微镜观察，拍照。

在扫描电镜视野里，选择一个有代表性的区域。在鳞片的翼状细胞、环状细胞和碟状细胞的不同位置，设定3个固定的点进行点扫描，通过能谱分析确定该点的主要元素成分与相对含量。

2.6 数据处理

实验数据用Excel和SPSS 18.0统计软件进行分析。

3 结果与分析

3. 1 空气凤梨受颗粒污染物胁迫后光合特征

3.1.1 空气凤梨灰尘胁迫前后叶绿素含量

每一株空气凤梨随机选择三片叶子，用叶绿素仪测量其灰尘胁迫前后叶绿素含量，并求取每一株空气凤梨的平均叶绿素含量，如表1。

表1空气凤梨灰尘胁迫前后叶绿素含量

胁迫前胁迫后

A组40.593±7.332 37.273±11.745

C组38.553±5.667 34.813±7.744

注：结果代表平均值±标准误A组：叶表鳞片全保留C组叶表鳞片全去除

注：不同英文小写字母表示差异显著

图1 空气凤梨灰尘胁迫前后叶绿素含量柱状图

根据表1的数据分析，通过A组和C组灰尘胁迫前后两次的叶绿素测定比较，明显看出空气凤梨受灰尘胁迫前和受胁迫后，叶表鳞片全保留的A组五株空气凤梨的平均叶绿素含量都高于叶表鳞片全去除的C组，说明空气凤梨叶表鳞片的存在有利于植株叶绿素的生成，有利于光合作用，所以叶表鳞片全保留的A 组空气凤梨的生长状况更加良好，叶表鳞片保护植株叶片的作用能更有效的抵御灰尘等大气颗粒物的胁迫。从数据中可以发现空气凤梨灰尘胁迫后的平均叶绿素含量低于胁迫前的含量，说明叶表鳞片能有效保护叶片，减少环境中不利因素的影响。

3.1.2 空气凤梨胁迫后光合指标

使用Li-6400便携式光合仪测得ABC三组的净光合速率、蒸腾速率和叶片水分利用率，每株空气凤梨随机抽取2个叶片测试，然后进行数据分析，如表2。

表2空气凤梨灰尘胁迫后光合指标

净光合速率（Pn）蒸腾速率（Tr）水分利用率（WUE）A组0.320±0.271a 0.105±0.041b 3.198±2.654b

B组-0.130±0.130b 0.144±0.079b -1.077±0.858a

C组0.020±0.228ab 0.142±0.024b 0.145±1.99a

A组：叶表鳞片全保留 B组：叶表鳞片半保留 C组：叶表鳞片全去除

注：不同英文小写字母表示差异显著

图2 ABC三组空气凤梨灰尘胁迫后光合指标对比图

通过以上图表，A组的净光合速率最大，蒸腾速率最小，水分利用率也最高，而C组相反。空气凤梨叶表鳞片的存在有利于植株光合作用，去除叶表鳞片使得蒸腾速率增加，加速植株内部水分的散失，水分利用率降低，显然不利于植株的生长。

3.2 空气凤梨叶内元素含量及分析

对A，B，C组的空气凤梨随机选取叶片进行消解，用电子耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)分析叶片内部的Al3+、Fe2+、Pb2+、Ca+、Na+等多种阳离子的质量浓度，绘制成表，如表3。

表3空气凤梨叶内元素含量

Al Ca Cr Cu Fe K Mg

A 51.87 164.25 2.07 0.74 106.2 0 42.78

B 236.2 4064.65 3.97 3.31 227.88 4028.56 1358.15

C 214.08 321511 401.47 439.28 238.39 365554 131645

Mn Na Ni Pb Si Ti V Zn

A 1.76 283.42 1.21 1.08 0 14.71 0.74 2.65

B 31.72 10442 4.47 1.19 0 27.03 1.26 82.99

C 20.64 9686.95 517.43 186.24 0 30 115.37 8983.19

注：A组：叶表鳞片全保留 B组：叶表鳞片半保留C组：叶表鳞片全去除

根据表3，可以得出空气凤梨在经过15天的大气灰尘胁迫后，叶内颗粒物的化学元素的种类和含量。叶内的主要元素有Al，Ca，Cr，Cu，Fe，K，Mg，Mn，Na，Ni，Pb，Ti，V，Zn，三组空气凤梨的叶内颗粒物Si含量均为0。在元素含量上，C组总体的化学元素含量是三组中最多的，而A组各种化学元素含量最少，且A组空气凤梨叶内颗粒物中不含K元素。B组的Ca，K，Mg元素含量达到上千，甚至于Na元素达到10442mg/kg，其他元素的含量也是A组含量的一到几十倍。C组叶内颗粒物化学元素除了Al，Mn，Na的含量低于B组，其他元素含量都是最高的，Ca的含量高达321511mg/kg，K的含量高达365554mg/kg，Mg的含量是131645mg/kg。

通过上述数据分析，表明空气凤梨的叶表鳞片可以阻止大气中过多的化学元素的进入，过多的金属元素进入叶片，势必会对植株内部的生理作用产生不良影响，不利于光合作用，减少空气凤梨的存活周期。

3.3 空气凤梨叶表颗粒物元素含量分析

通过扫描电子显微镜（SEM）法对空气凤梨叶表面形态进行检测，在鳞片的翼状细胞、环状细胞和碟状细胞的不同位置，设定3个固定的点进行点扫描，通过能谱分析确定该点的主要元素成分与相对含量。将叶表的主要元素和相对含量绘制成表，如表4。

表4 空气凤梨叶表颗粒物元素含量

Al Ca Cr Cu Fe K Mg

A 15756.3 12120.1 41288.3 43352.7 14218.4 4404.08 3500.52

B 21445 13996.4 60428.4 65737.6 27146.4 5166.87 4765.67

C 17884.9 32995.8 32713.5 11662.8 1466.49 6937.01 7993.9

Mn Na Ni Pb Si Ti V Zn

A 321385 9877.12 29053.9 19544.8 19381.8 943533 14602.9 1065430

B 396813 5097.22 30612.3 31586.6 6439.45 1256290 22862.7 1003110

C 31452 90084.4 199.08 17190.4 295353 178466 4456.99 194920 注：A组：叶表鳞片全保留B组：叶表鳞片半保留C组：叶表鳞片全去除

空气凤梨作为空气植物，通过叶片吸收空气中的水分和营养物质，空气凤梨的根部不发达，根系的作用十分微弱，因此研究空气凤梨叶片是如何吸收水分和营养物质就很有意义，叶表鳞片作为空气凤梨叶片的重要结构，研究其作用是必不可少的。根据前人的研究，空气凤梨叶表鳞片具有亲水性，能够成为水分进入叶内的导管[20]，并且能降低气孔蒸腾水分的损失率[21]，而在本实验中，三组不同鳞片处理的15株空气凤梨通过半个月的大气灰尘胁迫，比较A、B、C三组的光合指标，叶表鳞片全保留的A组的蒸腾速率最低，水分利用率最高。

王思维在做空气凤梨重金属胁迫实验时，测得空气凤梨鳞片上均有重金属的分布[22]，在本实验中，证明了凤梨叶表鳞片能有效吸附大气颗粒物，减少大气颗粒物中的化学元素，尤其是重金属元素的进入，叶表鳞片几乎能将大气颗粒物中所有的K元素全部吸附。若无叶表鳞片吸附作用，则大气中上百倍的化学元素积累在叶片内部，势必会对空气凤梨的生理生化作用造成损害，威胁植株的正常生长。

空气凤梨的叶表鳞片能有效保护植株叶片，防止大气中灰尘的进入，减小空气中有害物质在叶片内部积累，使得空气凤梨更好的适应环境，增加其在自然环境中的存活率。实际上，在经过一个多月的实验后，通过观察可以直观看出，不做任何叶表鳞片处理的A组还保持着良好的生长状况，叶片茂盛且浓绿，而经过叶表鳞片全去除的C组空气凤梨叶片则明显的枯萎，甚至有的整株空气凤梨已面临死亡，这更加证明了空气凤梨叶表鳞片在其生长存活中的重要作用，根据Benzing[2]的研究，空气凤梨叶表鳞片能在多种方面保护植株，去除鳞片会影响叶绿素和水分的减少，从而使空气凤梨萎蔫。

本实验研究了维路提拉空气凤梨叶表鳞片在吸附大气颗粒物中的重要作用，得出了上述结论，但也有一些问题还需进一步的讨论。

经前人研究可知，空气凤梨叶表鳞片通过其特殊构造，即环状细胞，翼状细胞和柄状细胞，将大气中的水份和营养物质运送至叶片内部，因此叶表鳞片也能吸附大气颗粒物中的有害物质，经过叶表鳞片全去除的空气凤梨，吸收了大气灰尘大量的重金属元素，这些化学元素的过度累积，究竟是如何对空气凤梨叶片内部的生理生化作用产生不良影响的，表现在哪些方面，具体的危害途径有哪些，这些问题还需要做更多的实验来研究，由于本次实验的人力物力及本实验者的学术

能力所限，很遗憾不能更深入探究空气凤梨关于叶表鳞片吸附大气颗粒物的相关方面，因此，本人本次实验若能为各位学者提供一些参考，将不胜荣幸。

致谢

本次实验作为我的大学毕业设计，能够顺利的进行，我的导师李鹏老师给予我很大的帮助，尤其是实验设计思路和可行性方面，若是没有李鹏老师的支持，我很难完成本次实验，在论文的写作中，李鹏老师也提供了诸多建议，我反复修改后，才有了这篇论文。

我还要感谢我的实验搭档，刘慧和宋丽娜两位同学，以及一些热心的学长学姐，他们在实验中不计辛苦的帮助我，所以说这个实验的完成是大家共同努力的结果。

也同样感谢我的父母，在我实验枯燥的时候，听我倾诉，替我分忧，我也希望能以此次出色的完成毕业论文的写作来回报一二他们对我的慈爱之心。

最后感谢青岛农业大学对我的培育之恩，提供了良好的大学教育水平，以及设备齐全的实验室以供我完成实验。上述皆是肺腑之言，对于众人的帮助万分感谢。

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