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Article de méthode

Évaluer les capacités d’enlèvement de matière particulaire d’arbre feuilles

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DOI :

10.3791/58026

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7 octobre 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Key Laboratory of Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, 2School of Environment, Key Laboratory for Yellow River and Huai River Water Environment and Pollution Control, Ministry of Education, Henan Key Laboratory for Environmental Pollution Control, Henan Normal University

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

La méthode de nettoyage par ultrasons a été appliquée pour éluer les matières particulaires (PM) accumulée sur la surface des feuilles après que PM est éluée par les méthodes classiques de nettoyage (nettoyage uniquement à l’eau ou nettoyage à l’eau et brosse de nettoyage). La méthodologie peut contribuer à améliorer la précision de l’estimation pour PM capacité de rétention des feuilles.

Résumé

Basé sur les méthodes de nettoyage classiques (eau nettoyage (WC) + brosse de nettoyage (BC)), cette étude a évalué l’influence de nettoyage par ultrasons (UC) sur la perception de diverses tailles particulaires (MP) accumulée sur la surface des feuilles. De plus, nous avons caractérisé l’efficacité de rétention des feuilles à diverses heures taille, ce qui aidera à évaluer les capacités des arbres urbains pour enlever des PM de l’air ambiant quantitativement.

Prendre trois espèces d’arbres feuillus (Ginkgo biloba, Sophora japonica et Salix babylonica) et deux espèces arbres conifères (Pinus tabuliformis et Sabina chinensis) comme des objets de recherche, les échantillons de feuilles ont été collecté 4 jours (période de rétention courte PM) et 14 jours (longue période de rétention de PM) après la dernière pluie. PM accumulée sur la surface des feuilles a été capturé par le biais de WC, c.-b. et l’UC en séquence. Ensuite, l’efficacité de rétention des feuilles (feuillesAE) à trois types de la PM de taille différentes, y compris PM facilement amovible (ERP), difficile à éliminer h (DRP) et totalement amovible h (TRP), ont été calculées. Qu’environ 23 % - 45 % du total PM accumulée sur les feuilles pourrait être nettoyée et perçu par les WC. Lorsque les feuilles ont été nettoyées par le biais de WC + BC, la sous-estimation de la capacité de rétention de PM des différentes espèces d’arbres était de l’ordre de 29 à 46 % pour divers taille h presque tous les PM retenu sur les feuilles pourrait être supprimés si l’UC a été complété pour WC + BC.

En conclusion, si l’UC a été complétée après les méthodes de nettoyage classiques, PM plus sur la surface des feuilles pourrait être éluée et recueilli. La procédure développée dans cette étude peut être utilisée pour évaluer les capacités de retrait de PM des différentes espèces d’arbres.

Introduction

Les capacités de différentes espèces d’arbres pour enlever des PM de l’air ambiant peuvent être évaluées par le biais de quantifier la masse des particules accumulée sur la surface des feuilles. Pour atteindre cet objectif, la méthode de soustraction1,2, la membrane filtre méthode3,4,5et la méthode de pesage élution couplé avec la taille de particule analyse6 ont été appliquée pour estimer quantitativement la masse des PM2,5 (diamètre ≤ 2,5 µm), PM10 (diamètre ≤ 10 µm) ou de particules en suspension totales (TSP) retenus sur les feuilles. Cependant, l’exactitude de ces méthodes dépend essentiellement de leur performance dans la collecte de PM accumulée sur la surface des feuilles. À l’heure actuelle, la feuille traditionnelle méthode souvent utilisé dans des études de nettoyage comprend une ou deux étapes, à savoir que de l’eau laver (faire tremper et rincer les feuilles à l’aide de l’eau désionisée)3,7 ou plus brossage5, 8 , 9. Cependant, certaines études10,11 ont démontré que PM sur la surface des feuilles ne pourrait pas être complètement éluée par la méthode classique de nettoyage. Comme le nettoyage par ultrasons a les avantages du haut débit, haute qualité et peu de dégâts à la surface de l’objet, il a un grand potentiel pour servir à recueillir le PM accumulée sur la surface des feuilles avec des microstructures complexes. À l’heure actuelle, le nettoyage par ultrasons a été appliqué dans certaines études pour recueillir PM accumulée sur la surface des feuilles (c.-à-d., mettre les feuilles dans l’eau désionisée et utiliser le nettoyeur à ultrasons pour éluer PM)12,13. Cependant, cette méthode est uniquement utilisée en complément d’une feuille de nettoyage méthode, alors qu’on ne sait pas si le nettoyage par ultrasons a un effet positif sur la perception de PM de la surface des feuilles et ses paramètres de fonctionnement optimales ne sont également pas clairs. Nos recherches antérieures ont montré que le PM accumulée sur la surface de la feuille de Ginkgo biloba pourrait être complètement éluée sans détruire les surfaces foliaires, si une procédure appropriée de nettoyage par ultrasons a été complétée à la méthode classique de nettoyage11 . Toutefois, la stabilité et l’applicabilité générale des opérations de nettoyage par ultrasons paramètres (puissance ultrasonique, temps et autres informations) pour différentes espèces de plantes connaissent des périodes de rétention de poussière différents sont toujours pas claires.

Actuellement, la masse des PM2,5, PM10ou TSP sur unité de surface foliaire a souvent été utilisée pour évaluer les capacités des différentes espèces d’arbres pour enlever des PM de l’air ambiant14,15. En vertu de l’état naturel, le PM accumulée sur la surface des feuilles peut être classé en deux parties : la première partie est le PM qui peut tomber des feuilles due aux effets du vent et des précipitations, tandis que l’autre partie est le PM qui est fermement adhéré pour feuille surfaces et ne peut pas être ea sily lavé par la pluie. Cependant, peu d’études ont porté sur la masse des deux types de particules sur la surface des feuilles. En outre, les périodes de rétention de PM des feuilles différentes études diffèrent énormément. Ainsi, la comparabilité des résultats de ces études sera mauvaise, si la masse des particules retenues sur l’unité de surface foliaire est adoptée pour évaluer les capacités de retrait de PM des arbres16. Par conséquent, l’efficacité de la rétention de PM (la masse des particules retenues sur l’unité de surface foliaire par unité de temps), comme alternative, il a été proposé d’évaluer les effets de purification de PM des arbres urbains5,17. En général, il y a toujours un manque de recherche dans cet aspect. Il est extrêmement nécessaire de mener des études pertinentes pour différentes espèces d’arbres fournir un appui données et base méthodologique pour évaluer les capacités de retrait de PM des différentes espèces d’arbres avec précision.

Ici, trois espèces d’arbres feuillus (g. biloba, Sophora japonicaet Salix babylonica) et deux espèces d’arbres conifères (Pinus tabuliformis et Sabina chinensis) ont été choisis pour évaluer leur retrait PM capacités en deux périodes de rétention de PM. Le site d’échantillonnage foliaire a été dans le parc de Xitucheng (39,97 ° N, 116,36 ° E), situé dans une zone à forte pollution à Pékin. Les trois objectifs spécifiques de cette étude étaient : (1) d’évaluer l’efficacité des feuilles différentes méthodes (nettoyage de l’eau (WC), brosse de nettoyage (BC) et nettoyage aux ultrasons (UC)) pour l’élution du PM à, (2) pour vérifier l’effet de nettoyage par ultrasons sur les feuilles de nettoyage à élution de PM et (3) afin d’évaluer l’efficacité de rétention de différentes espèces d’arbres à PM1, PM2,5, PM5, PM10et TSP.

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Protocole

1. feuille de Collection, élution et mesure de masse des particules

  1. Sélectionnez les cinq arbres sains individuels (c.-à-d., cinq répétitions) de chaque espèce d’arbre de diamètre similaire à hauteur de poitrine. Recueillir les quatre plus grosses branches au hasard des quatre points cardinaux de la verrière extérieure dans la couche intermédiaire couvert et couper toutes les feuilles intactes.
    Remarque : Toutes les plantes pour l’échantillonnage foliaire devraient se trouver étroitement dans une bande de verdissement avec longueur et largeur d’environ 250 et 60 m, respectivement, pour s’assurer que les conditions de l’environnement (vent, lumière et pluie) de ces arbres sont similaires. Les feuilles utilisées dans le protocole ont recueilli en 2014, qui étaient respectivement de 4 et 14 jours après la dernière pluie (> 15 mm), le 15 octobre (période de rétention (SDR) de poussière court) et le 25 octobre (longue période de rétention (LDR) de poussière). Les niveaux moyens des particules dans le court et long poussière période de rétention (c.-à-d., la durée entre la dernière pluie et le temps d’échantillonnage foliaire) dans notre expérience étaient 26 (PM2.5), 57 (PM10) et 111 (PM2.5), 160 µg/m3 (PM10), respectivement.
    1. Placer les feuilles échantillonnés dans des sacs étiquetés vanne et transporter les sacs au laboratoire immédiatement. Stocker les échantillons de feuilles dans le réfrigérateur.
  2. Lavez et séchez les béchers dans le four à 80 ° C. Équilibrer les béchers à température ambiante et l’humidité, peser les béchers vides (W1).
  3. Au hasard, sélectionnez une certaine quantité de feuilles dans les échantillons de feuilles et mettre les feuilles dans un bêcher de 1000 mL (bécher A).
    Remarque : La surface foliaire est 2000 cm2, qui peut garantir toutes les feuilles peuvent être plongés complètement dans l’eau et la poussière éluée a suffisamment de poids pour peser avec précision.
  4. Ajouter 270 mL d’eau désionisée dans le bécher A et y plonger les feuilles dans de l’eau complètement.
    1. Remuer l’eau pour 60 s avec une baguette de verre dans une seule direction (fréquence : 2 secondes pour une rotation). Ensuite, verser l’éluant dans trois béchers petit 100 mL (bécher un) uniformément.
    2. Laver les feuilles à l’aide d’une pissette à pointe fine avec 30 mL d’eau désionisée et passer les feuilles lavées dans un bécher de 1 000 mL (bécher B). Verser l’éluant dans trois petit becher de 100 mL (bécher un) uniformément.
  5. Ajouter 270 mL d’eau désionisée à bécher B et plongez les feuilles dans l’eau à nouveau. Puis utilisez une brosse en nylon pour frotter la surface de la feuille (en plaçant sur une plaque en plastique plat mince) avec de l’eau désionisée et éviter de détruire la microstructure de la surface des feuilles. Verser l’éluant dans trois béchers petit 100 mL (bécher b).
    1. Laver les feuilles à l’aide de la bouteille squeezable avec pointe fine avec 30 mL d’eau désionisée et passer les feuilles dans un bécher de 1 000 mL (bécher C). Verser l’éluant dans trois 100 mL petit bécher (bécher b).
  6. Ajouter 270 mL d’eau désionisée à bécher C et plongez les feuilles dans l’eau à nouveau.
    1. Mettez le récipient en verre dans la machine de nettoyage par ultrasons. En utilisant une puissance ultrasonique de 500 W, propre pour 3 min et 10 min pour les feuilles des espèces d’arbres feuillus et conifères, respectivement. Remuer les feuilles avec une baguette de verre dans une seule direction (fréquence : 2 secondes pour un cercle) en même temps.
    2. Laver les feuilles à l’aide de la bouteille squeezable avec pointe fine avec 30 mL d’eau désionisée et verser l’éluant dans trois béchers petit 100 mL (bécher c).
  7. Couvrir d’un morceau de papier filtre propre (diamètre = 11 cm, surface = 94,99 cm2) sur chaque bécher (a, b, c) et sécher les béchers dans le four à 80 ° C pendant environ 5 jours, jusqu'à ce que la masse des béchers devient constante.
    1. Mettre les béchers dans une chambre de balance pour équilibrer la température et l’humidité pendant 30 min et pèsent la masse de chaque béchers de 100 mL (W2). Calculer la masse des particules éluée par chaque étape de nettoyage par W2-W1.

2. mesure de la Distribution granulométrique de la PM et la surface foliaire

  1. Ajouter 50 mL d’eau désionisée à chaque pesée bécher (a, b, c) mentionné ci-dessus et placez ces béchers dans une machine de nettoyage à ultrasons pendant 30 min jusqu'à ce que le PM se disperse dans l’eau désionisée.
  2. Ajouter le liquide surnageant dans le bécher (a, b, c) à l’instrument de granularité laser et mesurer la distribution granulométrique des particules éluée par différentes étapes de nettoyage.
    1. Supposons que les pourcentages de volume déterminé à être le pourcentage de masse (Q) des particules de différentes tailles. Calculer la proportion des particules de différentes tailles éluée par chaque étape de nettoyage par l’équation (1) :
      figure-protocol-1(1)
      où Pi, j représente la proportion de masse (%) des particules au sein de la classe de diamètre j élué de la surface des feuilles par l’étape de nettoyage j’ai; Wje représente la masse totale (g) de toutes les particules de tailles éluées par l’étape de nettoyage j’ai; Qi, j représente le pourcentage de masse (%) des particules au sein de la classe de diamètre de j dans la masse totale de particules éluée par l’étape de nettoyage j’ai; j’ai est l’étape de nettoyage (c.-à-d., WC, c.-b. et UC) ; et j est la classe de diamètre, qui a été fixée à ≤ d 1 µm (PM1), 1 < d ≤ 2,5 µm (PM1 à 2,5), 2.5 < d ≤ 5 µm (PM2,5-5), 5 < d ≤ 10 µm (PM5-10), d > 10 µm (PM> 10) dans la présente étude.
  3. Feuilles de propagation sur le plastique à bord et balayer les feuilles avec un scanner de haute qualité. Logiciel d’analyse automatique de l’image permet d’estimer la superficie et la surface projetée des feuilles.
    Remarque : Le protocole peut être suspendu ici.

3. analyse et présentation de données

  1. Calculer la matière particulaire totale à amovible (TRP) comme la somme de l’ERP et le PRD qui peut être éluée par WC + BC + UC.
  2. Au titre de périodes de rétention des poussières différent, calculer la masse totale des particules appartenant à une catégorie de specificdiameter conservée sur les feuilles comme la somme de la masse des particules au sein de la classe correspondante de diamètre éluée par les différentes étapes de nettoyage (c.-à-d., WC, c.-b. et UC).
    1. À l’aide de ces données et les données de surface foliaire, de calculer l’efficacité de rétention (AEfeuille) les particules de taille différentes sur l’unité de surface surface foliaire utilisant l’équation (2) :
      figure-protocol-2(2)
      où LZj et SZj sont la masse (g) des particules au sein de la classe de diamètre j retenu sur l’unité de surface foliaire dans les périodes de LDR et SDR, respectivement ; LT et ST sont le nombre de jours dans les périodes de LDR et SDR, respectivement.
  3. Effectuer toutes les analyses statistiques avec le logiciel SPSS.
    1. Utilisez le test de Kolmogorov-Smirnov et le test de Levene pour vérifier les hypothèses de l’analyse de la variance de la normalité et l’homogénéité des variances, respectivement, pour les pourcentages d’élution des particules différentes tailles et les données de capacité de rétention de PM.
    2. Appliquer ANOVA à afin d’étudier les effets des différentes étapes de nettoyage sur les pourcentages d’élution des particules différentes tailles sous diverses périodes de rétention de poussière. Utiliser le test de Duncan (P = 0,05) pour détecter les différences significatives entre les différentes étapes de nettoyage.

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Résultats

Le PM accumulée sur la surface des feuilles avait deux types dans des conditions naturelles. Le PM se détache facilement par la pluie et vent dans des conditions naturelles est défini comme la matière particulaire facilement amovible (ERP). Ce type de particules était représenté par le GP élué par WC dans cette étude. Le PM qui adhère fermement à la feuille des surfaces et ne peuvent pas être facilement enlevé par BC et UC est défini comme la matière particulaire difficile à enlever (DRP)...

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Discussion

Collection précise et appropriée de la MP accumulée sur la surface des feuilles est la base permettant d’évaluer les capacités de retrait de PM des différentes espèces d’arbres. Toutefois, la méthode de nettoyage classique (WC ou plus BC) ne peut pas supprimer complètement la poussière sur la surface des feuilles, qui a été confirmée par10de la microscopie électronique à balayage. Cela a été démontré plus clairement par la présente étude (Figure 1,

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par le Fonds de recherche fondamentale pour les universités du Centre (2017ZY21) et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (21607038).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
MSA2258-1CE-DU Dix-millième échelleSartorius Scientific Instruments (Beijing) Co., Ltd.MSA2258-1CE-DUprécision : 0,01 mg L’instrument
de granularité laser IS13320Beckman Coulter, Brea, États-UnisIS13320conditions de travail : échantillons liquides/électriques ; plage de mesure de la taille des particules : 0,017-2000 &mu ; m
Epson Twain Pro scanner de haute qualitéSeiko Epson, Nagano, Japonexpression1680
Logiciel d’analyse d’images automatique WinRHIZORegent Instruments Inc., Québec, CanadaWinRHIZO Pro 2013a

Références

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