大气污染植物指示物研究进展 2.doc

大气污染植物指示物研究进展 姓名：李梁雄 学号：110813056 班级：11环境科学本（1）班摘要 生物指示物(Bioindicator)是指能通过典型症状或可衡量的反应来揭示大气污染物存在与否的生物体或生物反应。许多对污染物敏感的植物和微生物都可以做为大气污染的生物指示物。和传统的监测方法相比,利用植物监测大气污染物是一种经济、简便而且可靠的方法.植物受到不同的大气污染物的危害会表现出不同的受害症状,根据这些受害症状可以判断出大气污染物的种类,并根据植物受害程度和污染时间来估测其质量浓度范围。1 引言 生物指示物可以概括为3类:第1类是根据污染物对这个物种造成形态或生理伤害的程度判断污染状况;第2类根据某个敏感物种出现或消失的概率判断污染状况;第3类是动物或植物对污染物有生物累积作用,可以通过分析其内污染物的含量判断污染状况。常用的生物指示物大多是植物,微生物也较多应用于指示大气污染。运用植物学方法监测大气污染物,其基本原理是利用植物对大气污染物的生物效应,即植物(主要指叶片)受害症状与大气污染物的种类、质量浓度和接触时间有相关性.根据植物群落受害种类和伤害症状来判断大气污染状况,尤其是用来监测大气中污染物的种类,并根据植物受害程度及污染时间,估测污染物的质量浓度.1.1植物监测大气污染物的机理大气污染物从植物叶片的气孔进入植物体内,植物叶片是植物的重要组成部分,是植物进行光合作用与蒸腾作用的主要器官.而大气污染物可以直接使叶片受害,植物受伤害的程度与污染大气从气孔进入与否,以及进入多少直接相关.从植物受伤害的症状,可以监测出有害气体的种类,并估测污染物的质量浓度.2植物指示物2.1敏感植物植物尤其是敏感植物,一旦遇到污染,可依照污染程度在群落、个体上,在细胞、组织和器官上,在细胞内酶系和生理生化反应等不同水平层面上做出应激反应。不同植物在解剖结构和生物学特性等诸多方面对污染物的抵抗能力是不一样的,这决定了其对大气污染物的不同反应。一般可以把植物分成敏感、抗性中等、抗性强等几个层次。敏感植物一般可以做为指示植物,常见的主要属于苔藓植物、裸子植物和被子植物等几个植物纲,涉及农作物、园艺作物、经济作物、药用植物、野生植物和林木等。虽然不同植物对污染物的抗性不一样,但有些植物对不同污染物的敏感度往往是一致的,所以这些植物可以同时用于几种污染物的指示。表1给出了常见大气污染物的指示植物。表1 常见大气污染物的指示植物污染物指示植物二氧化硫（SO2）紫花苜蓿(Medicago sativa)、荞麦(Fagoprum esculentum)、金荞麦、芝麻(Sesamu mindicum)、向日葵(Helianthus annuus)等氟化氢(HF)唐菖蒲、郁金香(Tulipa gesneriana)、金荞麦、小苍兰(Freesia refracta)、 杏(Prunus armeniaca)、葡萄(Vitis vinifera)等臭氧(O3)烟草(Nicotiana tabacum)、矮牵牛 (Petunia hbrida)、光叶榉 (Zelkova serrata)、牵牛花(Pharbitis nil)等乙烯(C2H4)芝麻、香石竹(Dianthus fragrans)、番茄(Lcopersicum esculentum)等；PAN早熟禾(Poa annua)、矮牵牛、菜豆(Phaseolus vulgaris)等二氧化氮（NO2）悬铃木 向日葵 秋海棠 烟草 小麦 玉米 燕麦 玉米 胡萝卜 番茄 马铃薯 洋葱 蚕豆 瓜类等2.2植物指示物的作用植物的叶片、树皮、污染物含量以及各种生理生化指标都可以因大气污染程度不同而表现出各种特征变化,从而起到指示作用。2.2.1植物生长状况植物通过叶片同外界进行气体交换作用,容易受到各种大气污染物的侵害,根据受害程度的不同,叶片上会出现伤斑,绿色变浅、变黄,枯萎,甚至整株死去等症状,因而可以直观地反映出大气污染的程度。采用观察植物叶片伤害症状判断植物的受害程度来指示大气污染状况仍是目前最常用的方法。植物在不同的大气污染物作用下对植物叶片的可见伤害因伤斑的部位、形状、颜色和受害叶龄等特征的不同而互相区别。表2将常见大气污染物对指示植物毒害的症状、机理等做一简单总结。植物叶片对污染物的反应除了与污染物的毒性密切相关以外,其自身形态解剖结构特征对抵抗污染物的毒害是相当重要的。一般情况下,抗性强的植物叶片较厚、革质,外表皮角质化或表面具有蜡质层,气孔较少,叶背面多毛等。有人认为栅栏组织与海绵组织厚度的比值越大,抗性就越强。表2. 大气中几种主要污染物对植物的危害症状大气污染物危害机理伤斑部位伤斑形状伤斑颜色受害叶龄和程度二氧化硫(SO2)使海绵细胞和栅栏细胞产生质壁分离,然后收缩或崩溃,叶绿素分解多脉间、少叶缘无规律点、块状、界限分明土黄、红棕色展开的嫩叶成熟叶老叶和未展开的嫩叶氟化物使叶肉与细胞产生质壁分离多叶间、缘,少脉间带状或环带状棕黄色幼叶成熟叶老叶臭氧(O3)破坏栅栏组织细胞壁和表皮细胞,使葡萄糖氧化多叶面,少数脉间散布细密点状棕、黄褐色成熟叶幼叶老叶过氧乙酰硝酸酯(PAN)使叶子收缩,失水,然后充入空气多叶背,少叶先端玻璃状,坏死带银白、棕、古铜色幼龄叶片尖部和老龄叶片基部易受害二氧化氮(NO2)使细胞破裂脉间不规则伤斑或全叶点斑白、黄褐、棕色嫩叶易受害氯和氯化物破坏叶绿素脉间点块状界限模糊或过渡严重失绿,漂白成熟叶易受害2.2.2植物体内有毒物含量植物叶片是大气污染物的主要吸收器官,通过分析叶片中污染物含量,可以一定程度上反应污染状况。研究比较多的植物是林木或绿化植物,如松树(Pinus sylvestris)、圣栎(Quercusilex)、云杉(Piceaabies)、橡树(Quer-cus robur)等。植物叶片中重金属含量与大气污染有一定的相关性,可以通过测定叶片中的重金属含量来监测大气污染状况。任乃林等研究表明,植物叶片中的重金属元素富积量和大气中污染指数正相关,植物叶片的重金属元素富积量可较好和客观地指示市区大气的重金属污染状况。通过测定植物叶片中Zn、Pb、Cd和As的含量,可以判定测定区的大气污染等级。污染区植物叶片中Cu、Pb、Cd、Cr元素含量比清洁区的高,可用于监测大气污染状况。通过测定叶片中有机污染物的含量可指示大气中有机污染物的水平。有研究发现,松针中多氯代二苯并二恶英(PCDDs)、多氯代二苯并呋喃(PCDFs)等二恶英以及非邻位取代PCB的含量可以用于监测大气中这些污染物的水平。利用树皮作为生物指示物有取样容易、不伤害树木等优点,因此被推荐为大气污染的指示物,尤其是在其他生物指标难以发现的时候,例如在城市市区或工业区内,许多阔叶树木和针叶树木的树皮都被用于指示大气污染。2.2.3植物生理生化指标大气污染侵害后,植物的生长、代谢、繁殖等过程都会受到影响,但实际上在植物伤害症状出现之前,大气污染物对光合或呼吸作用及其他代谢过程早已产生影响。这类指标往往比症状指标更敏感和迅速。大气污染主要是影响代谢过程中酶的活性,改变某些物质的通透性,使质膜透性增加,光合作用能力降低,叶绿素含量下降;同时,也使植物体内水分的蒸腾作用减弱,影响水分吸收并阻碍植物呼吸作用,从而阻碍了植物的生理活动,造成对植物的伤害。因此,常用的指标有植物光合作用参数、呼吸强度、气孔开放度、细胞膜的透性以及酶学指标。植物中叶绿素含量、叶绿素荧光参数(Fv/Fm)、细胞膜渗透率以及叶片气体交换特征参数净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和气孔导度(gs)等指标对于大气污染反应灵敏,可用于监测大气污染状况。2.2.4其他指标可以通过植物群落的改变来检测大气污染,如果抗性植物增加而敏感植物减少,则可以指示大气污染加重。在SO2污染较重的地方,Po-lygonum cilinote和Sambucus pubens丰度增加,而抗性差的种类则已经消失。后来研究发现,这种改变只发生在空气污染严重的地方。波动性不匀称( Fluctuating asymmetry,FA)是反应环境胁迫对生物影响的重要指标,在大气污染条件下, FA常常增加,所以可以用做指示物。Kozlov等研究发现苏格兰松松针的波动性不匀称可以作为大气污染的灵敏指标。3相比传统仪器监测方法,植物监测大气污染物有以下的优点:(1)反应灵敏.许多植物对环境污染的反应比人和动物敏感的多,如空气中SO2质量浓度达到314mg/m3时,人才能闻到气味,而紫花苜蓿在0.9 mg/m3时就会出现症状.如利用唐菖蒲监测氟化物,空气中有十亿分之一有害气体时,就会出现叶子干枯,而一般监测仪器尚不能达到这样的敏感程度.(2)使用方便、灵活,切实可行.利用植物监测污染方便、灵活,可以不受时间、地点、条件等限制,尤其作为对污染源的长期监测更加切合实际和行之有效.(3)成本低廉、取材方便.它不需要购买复杂昂贵的仪器和附属设备,所需费用低廉,并且监测的方法简单,有直观效果.(4)可以反映大气污染的历史状况植物监测更能反映出近来一个历史时期监测地的综合污染状况,这是任何仪器不能做到的.(5)具有多重功能.植物不仅可以达到监测的目的,而且还可以吸收有害气体、净化水体和土壤、吸滞灰尘、降噪杀菌、改善小气候、美化环境以及调节人的精神等多重功能.利植物来监测大气污染,越来越受到人们的重视.但也存在一定的局限性:首先很难取得精确的监测数据.其次专一性较差.再者由于植物是活的有机体,其本身生长发育状况的不同以及一些环境条件如温度、气压、降水、风向及土壤营养等的变化都会在一定程度上影响监测的结果.另外,植物会随季节的变化而变化,在落叶季节要选择常绿树种与之搭配.4问题与展望随着环境化学和现代仪器分析技术的发展利用生物指示物监测大气污染状况也得到新的发展,用于监测的指标和方法日臻成熟。但同时也存在许多问题: 1)生物指示物的灵敏性不够,因为大气污染物的流动性强,具有时空变异性,当污染物发生变化时,生物指示物很难立即做出响应,而是需要一个过程,这样就不利于大气污染的动态监测。2)生物指示物的特异性不够,许多生物指示物往往同时对多种污染物敏感,不利于监测某特异污染物。3)生物指示物的广谱性不够,大气污染往往是复合污染,包括多种污染物,而目前尚缺乏针对复合污染的生物指示物。4)生物指示物的生态相关性研究不够深入,除了大气污染的因素,其他如土壤状况、生长季节、人为因素等都影响植物、动物、微生物的生长及生理生化状况,这些指标未必能真实反应大气污染状况。5)分子生物指示物尚待开发,目前的生物指示物限于器官、组织和细胞水平,缺乏分子水平的生物指示物。6)取样方法的研究还很不足,大气污染物的时空变异性使得取样时很难判断其代表性。综上所述,未来要加强以下领域的研究: 1)开发灵敏性和时效性更强的生物指示物,以实现对污染物的动态监测,在这方面微生物比动植物更具优势,应该加强微生物指示物的研究。2)加强样品采集方法学研究,以保证样品更具有代表性,更能实时反映区域大气污染状况。3)加强大气有机污染物(如POPs、VOCs等)的生物指示研究。4)针对特异性大气污染和复合污染,开发特异性和广谱性的生物指示物。5)加强生物指示物生态相关性研究,分析环境因素对生物指示物的影响,降低环境因素的干扰。6)研究生物指示物对污染物在分子水平上的响应,开发分子生物指示物。7)建立标准的监测方法和模式生物指示物,使结果具有可比性和可重复性。8)发展更精确的化学分析技术和更先进的生物学技术,许多生物指示物对大气污染物反应敏感,但是目前的分析技术未必一定能检测出其体内的污染物。因此这一学科需要多学科、多实验室合作,分别从不同学科、不同角度进行深入的研究。我