Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Ocena zdolności liści drzew do usuwania cząstek stałych

6.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58026

⸱

7 października 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

W tym artykule

Podsumowanie

Metoda czyszczenia ultradźwiękowego została zastosowana do usunięcia cząstek stałych (PM) zatrzymanych na powierzchni liści po tym, jak PM zostało usunięte za pomocą konwencjonalnych metod czyszczenia (czyszczenie tylko wodą lub czyszczenie wodą plus czyszczenie szczotką). Metodologia ta może przyczynić się do poprawy dokładności szacowania zdolności liści do zatrzymywania cząstek stałych.

Streszczenie

Na podstawie konwencjonalnych metod czyszczenia (czyszczenie wodą (WC) + czyszczenie szczotkami (BC)), to badanie oceniało wpływ czyszczenia ultradźwiękowego (UC) na zbieranie różnej wielkości cząstek stałych (PM) zatrzymywanych na powierzchni liści. Dalej scharakteryzowaliśmy skuteczność zatrzymywania liści do różnej wielkości cząstek stałych, co pomoże ocenić zdolność drzew miejskich do ilościowego usuwania cząstek stałych z otaczającego powietrza.

Biorąc za obiekty badawcze trzy gatunki drzew liściastych (Ginkgo biloba, Sophora japonica i Salix babylonica) oraz dwa gatunki drzew igiełkowatych (Pinus tabuliformis i Sabina chinensis), próbki liści zostały pobrane 4 dni (krótki okres retencji PM) i 14 dni (długi okres retencji PM) po ostatnich opadach. Cząstki stałe zatrzymane na powierzchni liści zbierano kolejno za pomocą WC, BC i UC. Następnie obliczono skuteczność zatrzymywania liści (liść AE) do trzech typów cząstek stałych o różnej wielkości, w tym łatwo usuwalnych cząstek stałych (ERP), trudnych do usunięcia cząstek stałych (DRP) i całkowicie usuwalnych cząstek stałych (TRP). Tylko około 23%-45% całkowitego pyłu zawieszonego zatrzymanego na liściach mogło zostać usunięte i zebrane przez toaletę. Gdy liście zostały oczyszczone za pomocą WC+BC, niedoszacowanie zdolności zatrzymywania PM przez różne gatunki drzew mieściło się w zakresie 29%-46% dla PM o różnej wielkości. Prawie cały PM zatrzymany na liściach mógłby zostać usunięty, gdyby UC został uzupełniony do WC+BC.

Podsumowując, gdyby UC został uzupełniony po konwencjonalnych metodach czyszczenia, można by usunąć i zebrać więcej PM na powierzchniach liści. Procedura opracowana w tym badaniu może być wykorzystana do oceny zdolności różnych gatunków drzew do usuwania cząstek stałych.

Wprowadzenie

Zdolność różnych gatunków drzew do usuwania PM z otaczającego powietrza może być oceniana poprzez ilościowe określenie masy PM zatrzymanej na powierzchni liści. Aby osiągnąć ten cel><, ilościowego oszacowania masy PM 2,<5 (średnica ≤ 2,5 μm), metoda elucyjna >4,"xref">5 55 oraz metoda ważenia elucji połączona z analizą wielkości cząstek="xref">6 (średnica 2,5 μm), metoda elucyjna w połączeniu z analizą wielkości cząsteksup class="xref"6 (średnica ≤ 10 μm) lub całkowite zawieszone cząstki stałe (TSP) zatrzymane na liściach. Jednak dokładność tych metod zasadniczo zależy od ich skuteczności w zbieraniu cząstek stałych zatrzymanych na powierzchni liści. Obecnie konwencjonalna metoda czyszczenia liści stosowana w powiązanych badaniach często obejmuje jeden lub dwa etapy, a mianowicie tylko mycie wodą (moczenie i płukanie liści wodą dejonizowaną)3,7 lub plus brushing5,8,9. Jednak niektóre badania10,11 wykazały, że PM na powierzchniach liści nie może być całkowicie usunięty za pomocą konwencjonalnej metody czyszczenia. Ponieważ czyszczenie ultradźwiękowe ma zalety w postaci dużej szybkości, wysokiej jakości i niewielkich uszkodzeń powierzchni przedmiotu, ma ogromny potencjał do wykorzystania do zbierania cząstek stałych zatrzymanych na powierzchniach liści o złożonych mikrostrukturach. Obecnie czyszczenie ultradźwiękowe jest stosowane w niektórych badaniach w celu zebrania PM zatrzymanego na powierzchni liści (tj. włożenie liści do wody dejonizowanej i użycie myjki ultradźwiękowej do elucji PM)12,13. Metoda ta jest jednak stosowana jedynie jako uzupełnienie metody czyszczenia liści, przy czym nie wiadomo, czy mycie ultradźwiękowe ma pozytywny wpływ na zbieranie PM z powierzchni liści, a jego optymalne parametry pracy również nie są jasne. Nasze poprzednie badania wykazały, że cząstka zawieszona zatrzymana na powierzchni liścia miłorzębu japońskiego może zostać całkowicie wymyta bez niszczenia powierzchni liści, jeśli odpowiednia procedura czyszczenia ultradźwiękowego zostanie uzupełniona do konwencjonalnej metody czyszczenia11. Jednak stabilność i ogólna przydatność parametrów czyszczenia ultradźwiękowego (moc ultradźwięków, czas i inne informacje) do różnych gatunków roślin doświadczających różnych okresów zatrzymywania pyłu nadal nie jest jasna.

Obecnie, masa PM2.5, PM10 lub TSP na powierzchni liścia jednostki jest często wykorzystywana do oceny zdolności różnych gatunków drzew do usuwania PM z otaczającego powietrza14,15. W warunkach naturalnych cząstkę zawieszoną zatrzymaną na powierzchni liści można podzielić na dwie części: pierwsza część to PM, który może spaść z liści pod wpływem wiatru i opadów, podczas gdy druga część to PM, który jest ściśle przylegający do powierzchni liści i nie może być łatwo zmyty przez opady. Jednak niewiele badań koncentrowało się na masie obu rodzajów PM na powierzchniach liści. Ponadto okresy zatrzymywania cząstek stałych w liściach w różnych badaniach znacznie się różnią. W związku z tym porównywalność wyników tych badań będzie słaba, jeśli do oceny zdolności drzew do usuwania cząstek stałych przez drzewa16 przyjmie się masę cząstek stałych zatrzymaną na powierzchni liści jednolitych. W związku z tym zaproponowano skuteczność zatrzymywania cząstek stałych (masa cząstek stałych zatrzymywanych na powierzchni liści w jednostce czasu), jako alternatywę, w celu oceny efektów oczyszczania PM przez drzewa miejskie5,17. Ogólnie rzecz biorąc, wciąż brakuje badań w tym aspekcie. Niezwykle konieczne jest przeprowadzenie odpowiednich badań dla różnych gatunków drzew, aby zapewnić metodologiczne wsparcie podstawowe i dane do dokładnej oceny zdolności różnych gatunków drzew do usuwania cząstek stałych.

Tutaj wybrano trzy gatunki drzew liściastych (G. biloba, Sophora japonica i Salix babylonica) oraz dwa gatunki drzew igiełkowatych (Pinus tabuliformis i Sabina chinensis), aby ocenić ich zdolność do usuwania PM w dwóch okresach retencji PM. Miejsce pobierania próbek liści znajdowało się w parku Xitucheng (39,97° N, 116,36° E), położonym na obszarze o dużym zanieczyszczeniu w Pekinie. Trzy cele szczegółowe tego badania to: (1) ocena skuteczności różnych metod czyszczenia liści (czyszczenie wodą (WC), czyszczenie szczotkami (BC) i czyszczenie ultradźwiękowe (UC)) w elucji PM na liściach, (2) sprawdzenie wpływu czyszczenia ultradźwiękowego na elucję PM oraz (3) ocena skuteczności zatrzymywania różnych gatunków drzew do PM1, PM2,5, PM5, PM10 i TSP.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Pobieranie liści, elucja i pomiar masy PM

  1. Wybierz pięć zdrowych osobników drzew (t.j. pięć powtórzeń) każdego gatunku drzewa o podobnej średnicy w wysokości piersi. Należy losowo pobrać cztery większe gałęzie z czterech kierunków zewnętrznej korony w środkowej warstwie korony i odciąć wszystkie nienaruszone liście.
    UWAGA: Wszystkie rośliny przeznaczone do pobierania próbek liści powinny znajdować się blisko siebie w pasie zieleni o długości około 250 m i szerokości około 60 m, aby zapewnić podobne warunki środowiskowe (wiatr, światło i opady) dla tych drzew. Liście wykorzystane w protokole zostały zebrane 15 października (krótki okres retencji pyłu (SDR)) oraz 25 października (długi okres retencji pyłu (LDR)) 2014 roku, odpowiednio 4 i 14 dni po ostatnich opadach deszczu (> odpowiednio 15 mm). Średnie poziomy PM w krótkim i długim okresie retencji pyłu (tj. czas między ostatnimi opadami deszczu a momentem pobrania próbek liści) w naszym doświadczeniu wynosił 26 (PM2.5), 57 (PM10), i 111 (PM2.5), 160 µg/m3 (PM10), odpowiednio.
    1. Umieść pobrane liście w opisanych workach strunowych i niezwłocznie przetransportuj je do laboratorium. Próbki liści przechowuj w lodówce.
  2. Umyj i osusz zlewki w 80 °C piec. Pozostaw zlewki do czasu wyrównania temperatury i wilgotności z otoczeniem, a następnie zważ puste zlewki (W1).
  3. Losowo wybierz określoną ilość liści z próbek liści i umieść je w zlewce o pojemności 1000 ml (Zlewka A).
    UWAGA: Powierzchnia liścia wynosi około 2000 cm²2co gwarantuje całkowite zanurzenie wszystkich liści w wodzie oraz zapewnia, że wymyta ilość pyłu posiada wystarczającą masę, aby można ją było precyzyjnie zważyć.
  4. Do zlewki A należy dodać 270 ml wody dejonizowanej i całkowicie zanurzyć w niej liście.
    1. Mieszaj wodę szklaną bagietką przez 60 s w jednym kierunku (częstotliwość: jeden obrót na 2 sekundy). Następnie przelej eluent równomiernie do trzech małych zlewków o pojemności 100 mL (Zlewka a).
    2. Przemyj liście, używając wąsko zakończonej butelki zmywaka z 30 ml wody dejonizowanej, a następnie przenieś przemyte liście do zlewki o pojemności 1000 ml (Zlewka B). Rozlej eluent równomiernie do trzech małych zlewek o pojemności 100 ml (Zlewka a).
  5. Do zlewki B należy dodać 270 ml wody dejonizowanej i ponownie zanurzyć w niej liście. Następnie, kładąc liście na płaskiej, cienkiej płytce plastikowej, należy przemyć ich powierzchnię wodą dejonizowaną przy użyciu szczoteczki nylonowej, unikając przy tym zniszczenia mikrostruktury powierzchni liścia. Eluent należy przelać do trzech małych zlewek o pojemności 100 ml (zlewka b).
    1. Przemyj liście, używając butelki z cienkim końcem, 30 ml wody dejonizowanej, a następnie przenieś liście do zlewki o pojemności 1000 ml (zlewka C). Przelej eluent do trzech małych zlewek o pojemności 100 ml (zlewka b).
  6. Do zlewki C należy dodać 270 ml wody dejonizowanej i ponownie zanurzyć w niej liście.
    1. Umieść szklany pojemnik w myjce ultradźwiękowej. Przy mocy ultradźwiękowej 500 W czyść przez 3 minuty w przypadku liści gatunków drzew liściastych i przez 10 minut w przypadku iglastych. Jednocześnie mieszaj liście szklaną rurką w jednym kierunku (częstotliwość: jeden obrót na 2 sekundy).
    2. Przemyj liście, używając butelki z dozownikiem o cienkiej końcówce i 30 ml wody dejonizowanej, a następnie przelej eluat do trzech małych zlewków o pojemności 100 ml (zlewka c).
  7. Przykryć kawałek czystego papieru filtracyjnego (średnica = 11 cm, powierzchnia = 94,99 cm2) na każdym zlewce (a, b, c) i wysuszyć zlewki w 80 °C w suszarce przez około 5 dni, aż masa zlewków stanie się stała.
    1. Umieścić zlewki w komorze wagi w celu wyrównania temperatury i wilgotności przez 30 min, a następnie zważyć każdą zlewkę o pojemności 100 mL (W2). Oblicz masę PM wymytego w każdym etapie czyszczenia poprzez W2-W1.

2. Pomiar rozkładu wielkości PM oraz powierzchni liścia

  1. Do każdego z wcześniej odważonych zlewków (a, b, c) dodać 50 mL wody dejonizowanej, a następnie umieścić zlewki w myjce ultradźwiękowej na 30 min, aż PM ulegnie rozproszeniu w wodzie dejonizowanej.
  2. Przenieść nadsącz ze zlewków (a, b, c) do analizatora granulometrii laserowej i zmierzyć rozkład wielkości PM wymytego podczas poszczególnych etapów oczyszczania.
    1. Przyjąć zmierzone wartości procentowe objętości jako wartości procentowe masowe (Q) cząstek o różnych rozmiarach. Obliczyć proporcję cząstek o różnych rozmiarach wymytych w każdym etapie oczyszczania zgodnie z równaniem (1):
      Wzór na obliczenie prawdopodobieństwa, \( P_{i,j} = \frac{W_i \cdot Q_{i,j}}{\Sigma_i W_i \cdot Q_{i,j}} \).   (1)
      gdzie Pi,j oznacza udział masowy (%) cząstek w klasie średnicy j wymytych z powierzchni liści w etapie oczyszczania i; Wi oznacza całkowitą masę (g) wszystkich cząstek o różnych rozmiarach wymytych w etapie oczyszczania i; Qi,j oznacza procent masowy (%) cząstek w klasie średnicy j w całkowitej masie PM wymytej w etapie oczyszczania i; i to etap oczyszczania (t.j. WC, BC oraz UC); a j to klasa średnicy, która w niniejszym badaniu została określona jako d ≤ 1 µm (PM1), 1 < d ≤ 2.5 µm (PM1-2.5), 2.5 < d ≤ 5 µm (PM2.5-5), 5 < d ≤ 10 µm (PM5-10), d > 10 µm (PM>10).
  3. Rozłożyć liście na plastikowej płytce i zeskanować je za pomocą wysokiej jakości skanera. Użyć oprogramowania do automatycznej analizy obrazu w celu oszacowania powierzchni oraz powierzchni rzutu liści.
    UWAGA: W tym miejscu można przerwać protokół.

3. Prezentacja i analiza danych

  1. Oblicz całkowitą ilość usuwalnego pyłu (TRP) jako sumę ERP i DRP, które mogą zostać wymyte za pomocą WC + BC + UC.
  2. Dla różnych okresów retencji pyłu oblicz całkowitą masę PM w konkretnej klasie średnic zatrzymanych na liściach jako sumę masy PM w odpowiadającej klasie średnic wymytych w różnych etapach czyszczenia (tj. WC, BC i UC).
    1. Wykorzystując te dane oraz dane o powierzchni liści, oblicz efektywność retencji (AEleaf) cząstek różnych rozmiarów na jednostkę powierzchni liścia, korzystając z równania (2):
      Równanie powierzchni liścia AE_leaf=(LZj−SZj)/(LT−ST), analiza matematyczna, formuła.     (2)
      gdzie LZj i SZj  to masa (g) cząstek w j-tej klasie średnic zatrzymanych na jednostce powierzchni liścia odpowiednio w okresach LDR i SDR; LT i ST to liczba dni w okresach LDR i SDR, odpowiednio.
  3. Przeprowadź wszystkie analizy statystyczne przy użyciu oprogramowania SPSS.
    1. Użyj testu Kołmogorowa-Smirnowa oraz testu Levene'a, aby odpowiednio zweryfikować założenia ANOVA dotyczące normalności rozkładu i homogeniczności wariancji dla procentowych wartości wymycia cząstek o różnych rozmiarach oraz danych dotyczących pojemności retencyjnej PM.
    2. Zastosuj jednoczynnikową analizę wariancji ANOVA, aby zbadać wpływ różnych etapów czyszczenia na procentowe wartości wymycia cząstek o różnych rozmiarach w różnych okresach retencji pyłu. Użyj testu Duncan'a (P = 0.05) w celu wykrycia istotnych różnic między poszczególnymi etapami czyszczenia.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Pył zawieszony (PM) utrzymujący się na powierzchniach liści występował w warunkach naturalnych w dwóch typach. Pył, który w warunkach naturalnych łatwo odpada pod wpływem opadów deszczu i wiatru, definiuje się jako łatwo usuwalny pył zawieszony (ERP). Ten typ PM był reprezentowany w niniejszym badaniu przez PM wymyty za pomocą WC. Pył, który ściśle przylega do powierzchni liści i nie może zostać łatwo usunięty za pomocą BC i UC, definiuje się jako trudnozusuwalny pył zawieszony (DRP). Ten...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Dokładne i prawidłowe zbieranie cząstek stałych zatrzymanych na powierzchni liści jest podstawą do oceny zdolności różnych gatunków drzew do usuwania cząstek stałych. Jednak konwencjonalna metoda czyszczenia (WC lub plus BC) nie jest w stanie całkowicie usunąć kurzu z powierzchni liści, co zostało potwierdzone przez skaningową mikroskopię elektronową10. Zostało to również wyraźnie wykazane w niniejszym badaniu (Rysunek 1, Rysunek 2,

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych (2017ZY21) oraz Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (21607038).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
MSA2258-1CE-DU dziesięciotysięczna skalaSartorius Scientific Instruments (Beijing) Co., Ltd.MSA2258-1CE-DUprecyzja: 0,01 mg
Laserowy przyrząd do pomiaru ziarnistości IS13320Beckman Coulter, Brea, USAIS13320warunki pracy: próbki cieczy/mocy; Zakres wielkości cząstek: 0,017-2000 μ m
Wysokiej jakości skaner Epson Twain ProSeiko Epson, Nagano, Japoniaexpression1680
Oprogramowanie do automatycznej analizy obrazu WinRHIZORegent Instruments Inc., Quebec, KanadaWinRHIZO Pro 2013a

Bibliografia

  1. Baidurela, A., Halik, U., Aishan, T., Nuermaimaiti, K. Maximum dust retention of main greening trees in arid land oasis cities, Northwest China. Scientia Silvae Sinicae. 51, 57-63 (2015).
  2. Fan, S. Y., et al. Dust capturing capacities of twenty-six deciduous broad-leaved trees in Beijing. Chinese Journal of Plant Ecology. 39, 736-745 (2015).
  3. Dzierzanowski, K., Gawroński, S. W. Use of trees for reducing particulate matter pollution in air. Challenges of Modern Technology. 2, 69-73 (2011).
  4. Przybysz, A., Sæbø, A., Hanslin, H. M., Gawroński, S. W. Accumulation of particulate matter and trace elements on vegetation as affected by pollution level, rainfall and the passage of time. Science of the Total Environment. 481, 360-369 (2014).
  5. Chen, L. X., Liu, C. M., Zou, R., Yang, M., Zhang, Z. Q. Experimental examination of effectiveness of vegetation as bio-filter of particulate matter in the urban environment. Environmental Pollution. 208, 198-208 (2016).
  6. Zhang, Z. D., Xi, B. Y., Cao, Z. G., Jia, L. M. Exploration of a quantitative methodology to characterize the retention of PM2.5 and other atmospheric particulate matter by plant leaves: Taking Populus tomentosa as an example. Chinese Journal of Applied Ecology. 25, 2238-2242 (2014).
  7. Zhang, F. Studies on the Existing Shrubs of the Road in Changchun and the Dust Retention Capacity of the Three Shrubs. Jilin Agricultural University. , Changchun. (2013).
  8. Beckett, K. P., Freer-Smith, P., Taylor, G. Effective tree species for local air-quality management. Journal of Arboriculture. 163, 12-19 (2000).
  9. Wang, H. X., Shi, H., Wang, Y. H. Dynamics of the captured quantity of particulate matter by plant leaves under typical weather conditions. Acta Ecologica Sinica. 35, 1696-1705 (2015).
  10. Wang, Z. H., Li, J. B. Capacity of dust uptake by leaf surface of Euonymus Japonicus Thunb. and the morphology of captured particle in air polluted city. Ecology & Environment. 15, 327-330 (2006).
  11. Liu, H. H., et al. Analysis of the Role of Ultrasonic Cleaning in Quantitative Evaluation of the Retention of Tree Leaves to Atmospheric Particles: A Case Study with Ginkgo biloba. Scientia Silvae Sinicae. 52 (12), 133-140 (2016).
  12. Chen, W., et al. Dust absorption effect of urban conifers in Northeast China. Chinese. Journal of Applied Ecology. 14 (12), 2113-2116 (2003).
  13. Li, H., Yang, S. L. Changes of suspended particulates adhering to salt marsh plants. Acta Oceanolo Giga Sinica. 32 (1), 114-119 (2010).
  14. Nguyen, T., Yu, X. X., Zhang, Z. M., Liu, M. M., Liu, X. H. Relationship between types of urban forest and PM2.5 capture at three growth stages of leaves. Journal of Environmental Sciences. 27 (1), 33-41 (2015).
  15. Fan, S. X., Li, X. P., Han, J., Cao, Y., Dong, L. Field assessment of the impacts of landscape structure on different-sized airborne particles in residential areas of Beijing, China. Atmospheric Environment. 166, 192-203 (2017).
  16. Liu, J. Q., et al. Ultrasonic based investigation on particulate size distribution and retention efficiency of particulate matters retained on tree leaves-Taking Ginkgo biloba and Pinus tabuliformis as examples. Chinese Journal of Applied Ecology. 40, 798-809 (2016).
  17. Yao, X. Y., Hu, Y. S., Liu, Y. H. Dust-retention effect of 8 common greening Tree Species in Beijing. Journal of Northwest Forestry University. 29, 92-95 (2014).
  18. Wang, H. X., Shi, H., Wang, Y. H., Duan, J., Wang, Y. H. Influence of surface structure on the particle size distribution captured by Ligustrum lucidum. Journal of Safety & Environment. 1, 258-262 (2015).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Analiza liści drzewczyszczenie ultradźwiękoweczyszczenie wodączyszczenie szczoteczkąefektywność retencji PMpowierzchnia liściarozkład wielkości cząstekmiejskie gatunki drzewporównanie metod czyszczenia
Ocena zdolności liści drzew do usuwania cząstek stałych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.