Summary
采用超声波清洗法对洗脱后的颗粒物 (pm) 进行了洗脱, 采用常规清洗方法 (仅水清洗或水清洗加刷清洗)。该方法有助于提高叶片 PM 保持能力的估计精度。
Abstract
根据传统的清洗方法 (水清洗 (WC) + 刷子清洗 (BC)), 本研究评估了超声波清洗 (UC) 对收集各种大小颗粒物质 (PM) 在叶片表面保留的影响。进一步对不同大小的 pm 叶的保留效率进行了表征, 这将有助于评估城市树木从环境空气中定量去除 pm 的能力。
以三种阔叶树种 (银杏、槐、 柳垂柳) 和两 needleleaf 树种 (tabuliformis 松、柏草) 为研究对象, 对叶片样品进行了收集了4天 (短期 pm 保留期) 和14天 (长 pm 保留期) 后的最新降雨量。用 WC、BC 和 UC 等方法收集了在叶表面保留的 PM。然后, 计算了叶片 (AE叶) 对三种不同尺寸 pm 的保留效率, 包括易于拆卸的 pm (ERP)、难以移除的 pm (DRP) 和完全可移动的 pm (激进党)。只有大约 23%-45% 的总 PM 保留在叶子可以被清除和收集由 WC。当叶片通过 wc + bc 清洗时, 对不同树种的 pm 保留能力的估计在不同大小的 pm 的范围内为 29%-46%. 如果 UC 被补充到 WC + bc, 几乎所有保留在叶子上的 PM 可以被去除。
总之, 如果在传统的清洗方法后补充 UC, 可以洗脱和收集更多的叶表面 PM。本研究开发的程序可用于评价不同树种的 PM 去除能力。
Introduction
不同树种从环境空气中去除 pm 的能力可以通过量化在叶表面保留的 pm 质量来评估。为了达到这个目的, 减法方法1,2, 膜过滤法3,4,5, 和洗脱称量法加上粒度分析6已用于定量估算 pm2.5 (直径≤2.5 µm)、pm10 (直径≤10µm) 或总悬浮微粒 (TSP) 在叶片上的质量。然而, 这些方法的准确性主要取决于它们在叶表面上的收集 PM 的性能。目前, 在相关研究中使用的常规叶清洗方法通常包括一到两个步骤, 即只有水洗 (使用去离子水浸泡和冲洗叶子)3,7或加刷5,8,9. 然而, 一些研究10,11表明, 在叶表面 PM 不能完全洗脱的传统清洗方法。超声波清洗具有速度快、质量高、对物体表面损伤小等优点, 具有很大的应用潜力, 可用于收集具有复杂显微组织的叶片表面的 PM。目前, 超声波清洗已被应用于一些研究中, 以收集在叶表面保留的 PM (即把叶子放到去离子水中, 并使用超声波清洗剂洗脱 pm)12,13。然而, 这种方法仅作为一种对叶清洁方法的补充, 而不知道超声波清洗对从叶表面收集 PM 是否有积极影响, 其最佳操作参数也不清楚。我们以前的研究表明, 在银杏叶表面保留的 PM 可以完全洗脱, 而不破坏叶片表面, 如果适当的超声波清洗程序补充到常规清洗方法11.然而, 超声波清洗参数 (超声波功率、时间等信息) 对不同植物种类的稳定性和一般适用性仍不清楚。
目前, 单位叶面积 pm2.5、pm10或 TSP 的质量经常被用来评估不同树种从环境空气14、15中去除 pm 的能力。在自然条件下, 在叶表面保留的 pm 可分为两部分: 第一部分是由于风和降雨的影响, 可脱落叶的 pm, 而另一部分是紧附着在叶表面的 pm, 不能是 easily 被雨水冲走了。然而, 很少有研究集中在两种类型的 PM 在叶表面的质量。此外, 在不同的研究中, 叶的保持期有很大差异。因此, 如果采用单位叶面积的 pm 质量来评估16树的 pm 去除能力, 则这些研究结果的可比性将较差。因此, 提出了 pm 保留效率 (单位叶面积的 pm 质量) 作为替代方案, 以评估城市树木5、17的 pm 净化效果。总的来说, 在这方面还缺乏研究。对不同树种进行相关研究是非常必要的, 为准确评价不同树种的 PM 去除能力提供方法基础和数据支持。
在这里, 选择了三种阔叶林树种 (垂柳、槐、柳) 和两种 needleleaf 树种 (tabuliformis 松、柏草) 评价其 PM 去除两个 PM 保持期的能力。西土城公园 (39.97° N, 116.36° E) 的叶片取样点位于北京一个污染严重的地区。本研究的三个具体目标是: (1) 评估不同的叶清洁方法 (水清洗 (WC), 刷清洗 (BC) 和超声波清洗 (UC) 的效率, 在洗脱的 PM 在叶子上, (2), 以验证的效果, 超声波清洗对洗脱 pm, (3) 评估不同树种对 pm1、pm2.5、pm5、pm10和 TSP 的保留效率。
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Protocol
1. PM 的叶收集、洗脱和质量测量
- 选择五个健康的个体树 (即,五复制) 的每个树种在乳房高度相似直径。从中冠层的外冠四方向随机收集四个较大的分支, 并切断所有完整的叶子。
注: 所有用于叶取样的植物, 应分别位于长度和宽度约为250米和60公尺的绿化地带, 以确保这些树木的环境条件 (风、光和雨) 相似。该议定书所用的叶子在 10月15日 (短尘保留期) 和 10月25日 (长尘保留期 (LDR) 期间) 于2014年收集, 分别为最新降雨量 (> 15 毫米) 后的4和14天。实验中, 在短、长粉尘保持期 (即上次降雨与叶片取样时间之间的持续时间) 中, pm 的平均水平为 26 (pm2.5), 57 (pm10), 111 (pm2.5), 160 µg/米3(PM10), 分别。- 将取样的叶子放置在标签的阀门袋中, 并立即将袋子运到实验室。把叶子样品放在冰箱里。
- 清洗和干燥的烧杯在80°c 烤箱。平衡烧杯室温和湿度, 并称空烧杯 (W1)。
- 随机选择一定数量的叶子从叶子样品和把叶子在1000毫升烧杯 (烧杯 a)。
注: 叶面积约2000厘米2, 可保证所有叶片完全浸入水中, 洗脱粉尘有足够重量精确称量。 - 将270毫升的去离子水添加到烧杯 A 中, 将叶子完全浸入水中。
- 搅动水为六十年代与一个玻璃杆在一个方向 (频率: 2 秒为一次自转)。然后, 将淋洗倒入三100毫升小烧杯 (烧杯 a) 均匀。
- 用30毫升去离子水的细尖挤压瓶冲洗叶子, 将洗涤过的叶子转移到1000毫升烧杯 (烧杯 B)。将淋洗倒入三100毫升小烧杯 (烧杯 a) 均匀。
- 将270毫升去离子水添加到烧杯 B 中, 再将叶子浸入水中。然后用尼龙刷子擦洗叶片表面 (放置在扁平薄塑料板上) 与去离子水, 避免破坏叶片表面的显微组织。将淋洗倒入三100毫升小烧杯 (烧杯 b)。
- 用带30毫升去离子水的可挤压瓶冲洗叶子, 将叶子转成1000毫升烧杯 (烧杯 C)。将淋洗倒入三100毫升小烧杯 (烧杯 b)。
- 在烧杯 C 中加入270毫升去离子水, 再将叶子浸入水中。
- 将玻璃容器放入超声波清洗机中。使用 500 W 的超声波功率, 分别对阔叶和 needleleaf 树种的叶片进行3分钟和10分钟的清洁。用玻璃棒在一个方向 (频率: 2 秒为一个圆圈) 同时搅动叶子。
- 用带30毫升去离子水的可挤压瓶冲洗叶子, 将淋洗倒入三100毫升的小烧杯 (烧杯 c)。
- 盖一张干净的滤纸 (直径 = 11 cm, 面积 = 94.99 cm2) 在每个烧杯 (a, b, c) 和干燥烧杯在80°c 烤箱大约5天, 直到烧杯的质量变得恒定。
- 将烧杯放在平衡室中, 平衡30分钟的温度和湿度, 并称每100毫升烧杯的质量 (W2)。用w2-w1计算每个清洗步骤的 PM 洗脱质量。
2. PM 尺寸分布和叶面积的测量
- 在上述每个称重烧杯 (a、b、c) 中加入50毫升去离子水, 并将这些烧杯在超声波清洗机中放置30分钟, 直到 PM 在去离子水中散去。
- 将烧杯 (a、b、c) 上清液添加到激光粒度仪中, 用不同的清洗步骤测量 PM 洗脱的尺寸分布。
- 假设测量的体积百分比是不同大小粒子的质量百分比 (Q)。计算每个清洗步骤洗脱的不同尺寸粒子的比例 (1):
(1)
其中Pi, j 代表的质量比例 (%) 的粒子在j直径类洗脱从叶子表面由清洁步骤i;Wi 代表所有大小的微粒的总质量 (g) 洗脱由清洁步i;Qi, j表示在总 PM 质量洗脱的j直径类内粒子的质量百分比 (%) 由清洗步骤i;我是清洁步骤 (即, WC, BC 和 UC);j是直径类, 它被设置为 d ≤1µm (PM1), 1 < d ≤2.5 µm (pm1-2 5), 2.5 < d ≤5µm (pm2.5-5), 5 < d ≤10µm (pm5-10), d > 10 µm (pm> 10) 在本研究中。
- 假设测量的体积百分比是不同大小粒子的质量百分比 (Q)。计算每个清洗步骤洗脱的不同尺寸粒子的比例 (1):
- 在塑料板上涂上叶子, 用高质量的扫描仪扫描树叶。利用自动图像分析软件对叶片的表面积和投影面积进行估算。
注意: 协议可以在这里暂停。
(1)3. 数据介绍和分析
- 计算总可拆卸颗粒物 (跨国激进党) 作为 ERP 和 DRP 的总和, 可以洗脱由 WC + BC + UC。
- 在不同的粉尘保留期内, 计算在叶上保留的 specificdiameter 类中的 pm 的总质量, 以洗脱不同的清洗步骤 (即WC、BC 和 UC) 在相应直径等级内的 pm 质量总和。
- 利用这些数据和叶面积数据, 用方程 (2) 计算单位叶表面积上各种大小粒子的保留效率 (AE叶):
(2)
其中LZj 和SZj 是 LDR 和 SDR 期间在单位叶面积上保留的j直径类中粒子的质量 (g);它和ST分别是 LDR 和 SDR 期间的天数。
- 利用这些数据和叶面积数据, 用方程 (2) 计算单位叶表面积上各种大小粒子的保留效率 (AE叶):
- 使用 SPSS 软件进行所有统计分析。
- 使用柯尔莫哥洛夫斯米尔诺夫试验和 Levene 试验验证了不同尺寸颗粒的洗脱率和 PM 保留容量数据分别对正常度和方差均匀性的方差分析假设。
- 应用单向方差分析方法, 研究不同清洗步骤对不同粒径颗粒的洗脱率的影响。使用邓肯的测试 (P = 0.05) 来检测不同清洗步骤之间的显著差异。
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Representative Results
在自然条件下, 在叶表面保留的 PM 有两种类型。在自然条件下, 由于降雨和风力, PM 容易脱落, 被定义为容易移动的微粒物质 (ERP)。此类 pm 由 WC 在本研究中的洗脱代表。严格遵守叶表面, 不容易被 BC 和 UC 洗掉的 PM 被定义为难以去除的微粒物质 (DRP)。这种 PM 不能被自然降雨和风力洗脱。
不同清洗步骤对不同大小的 PM 洗脱的质量比例有显著差异。结果表明, 由 WC (图 1、 图 2、 图 3、 图 4和图 5) 从叶表面洗脱了大量不同大小的 PM。五种树种的不同规模 PM 的平均洗脱比例 (ERP) 分别为31% 和 35%, 低于 SDR 和 LDR (图 6)。
此外, WC 对 needleleaf 树种 (tabuliformis 、草) 叶片的洗脱效果有较强的影响, 特别是在LDR 时期. 因此, 除 pm> 10外, 所有尺寸 pm 的 WC 的洗脱率明显高于 BC 和 UC (P < 0.05)。经 BC 叶清洗后, 不同大小的 PM 的大馏分也洗脱, 分别在 SDR 和 LDR 期28% 和29%。与 WC 相似, 在日本粳稻中观察到 BC 的最明显的洗脱效果。在 SDR 和 LDR 期间, BC 的洗脱率明显高于 WC (P < 0.05)。除直径 < 5 µm 的 PM 外, BC 的洗脱效果显著高于 UC (P < 0.05) (图 6)。虽然很大一部分 pm 可以从叶表面洗脱的 WC + BC, 一些小直径的 pm 仍然坚持在叶片表面。随后, 当 UC 应用于清洁叶时, 在叶表面保留的残余 PM 完全洗脱 (图 1、 图 2、 图 3、 图 4和 图 5), 洗脱比例为 41%, 在 SDR 和36% 下 LDR (图 6)。此外, 应用 UC 时, 小尺寸 PM 的洗脱率较高。因此, 如果只采用传统的洗脱方法洗脱叶上的 pm, 则会明显低估 pm 的质量。特别是对于S. 垂柳, 所有直径类中 PM 的平均洗脱比例将被低估 46%, 高于P. tabuliformis (43%)、 G叶 (42%)、粳稻(31%),和 S 草 (29%)。
表 1显示了五种树种的不同类型 PM 的AE叶。两种方法计算的保留效率有很大差异。与方程 (2) 估计的结果相比, AE叶的计算公式 (3): 保留效率 (mg/米2·d-1) = 质量的 PM 在一个单位的叶面积 (镁/米2)/粉尘保留期 (d) 是大约5倍高。特别是对日本粳稻来说, 由方程式 (3) 计算的1的 ERP 的 PM 是比方程式 (2) 高出18.94 倍。在本研究中, 对于 ERP, 不同树种的 TSP AE叶片在12.69 和 34.69 mg·m-2·d-1之间变化, 按以下顺序降低: tabuliformis >垂柳> >、粳稻>中国。在前一项研究中, 不同树种的 TSP AE叶片在35.27 和 85.79 mg·m-2·d-1之间变化, 按以下顺序降低:日本粳稻>中国> s.垂柳> tabuliformis > 不同树种在保留不同类型的 PM (ERP、DRP、跨国激进党) 方面的保留效率也可能有所不同。在本研究中, 日本粳稻在保留1和 pm2.5, 分别为4.3 和21.91 毫克/米2·d-1的激进党中表现出最高的AE叶片。S. 垂柳有最高的AE叶片保留5 (40.98 毫克/米2·d-1) 和 pm10 (62.01 毫克/米2·d-1) 的激进党。此外,中国的研究还可以保留1、pm2.5和 pm5等其他树种的 ERP。
图 1: 不同洗脱步骤后银杏叶颗粒物残留量。A和B代表银杏叶的上、下两侧。不同的数字代表不同的洗脱步骤。(1: 无清洗; 2: 单水清洗; 3: 水清洗 + 刷子清洗;4. 水清洗 + 刷子清洗 + 超声波清洗)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 不同洗脱步骤后tabuliformis 松叶片上的颗粒物残留量。A和B代表tabuliformis 松叶的凹凸边。不同的数字代表不同的洗脱步骤。(1: 无清洗; 2: 单水清洗; 3: 水清洗 + 刷子清洗;4. 水清洗 + 刷子清洗 + 超声波清洗)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 不同洗脱步骤后的槐叶颗粒物残留量。A和B代表槐叶的上、下两侧。不同的数字代表不同的洗脱步骤。(1: 无清洗; 2: 单水清洗; 3: 水清洗 + 刷子清洗;4. 水清洗 + 刷子清洗 + 超声波清洗)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 不同洗脱步骤后,柳垂柳叶片上的颗粒物残留。A和B代表柳垂柳叶的上、下两侧。不同的数字代表不同的洗脱步骤。(1: 无清洗; 2: 单水清洗; 3: 水清洗 + 刷子清洗;4. 水清洗 + 刷子清洗 + 超声波清洗)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 不同洗脱步骤后,柏叶上的颗粒物残留量。A和B代表柏叶的锥形和鳞片状叶子。不同的数字代表不同的洗脱步骤。(1: 无清洗; 2: 单水清洗; 3: 水清洗 + 刷子清洗;4. 水清洗 + 刷子清洗 + 超声波清洗)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6: 在不同树种的叶子上保留各种大小颗粒物的质量比例。A和B分别代表短 (SDR) 和长 (LDR) 粉尘保留期。WC, BC 和 UC 代表的单一水清洗, 刷清洗, 和超声波清洗, 分别。数据栏上的不同字母 (a、b、c) 表明, 不同的清洗步骤对不同粒度颗粒在不同粉尘保留期的洗脱率有显著差异 (P < 0.05),根据邓肯的测试。请单击此处查看此图的较大版本.
表 1: 在单位叶面积上保留不同类型 PM 的质量。ERP、DRP 和 TR 代表了可拆卸的防尘能力、不易去除的防尘能力和总防尘能力。方程式 (2): 保留效率 (mg/米2·d-1) = 在单位叶面积 LDR 和 sdr 时期 (mg/米2)/在 LDR 和特别提款权期间之间的粉尘保持期减去质量 (d);等式 (3): 保留效率 (毫克/米2·d-1) = PM 的质量在叶子区域的单位 (镁/米2)/尘土保留期间 (d)。
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Discussion
准确、正确地收集叶片表面的 pm 是评价不同树种的 pm 去除能力的基础。然而, 传统的清洗方法 (WC 或加 BC) 不能完全去除叶片表面的灰尘, 这已经证实了扫描电镜10。本研究进一步表明了这一点 (图 1、图 2、 图 3、图 4和图 5)。研究表明, 如果只将 WC 应用于清洁叶, 在 SDR 和 LDR 期内, 叶表面的 PM 将被低估约69% 和65%。也就是说, 短时间的降雨量具有一定的强度, 只能从叶片表面洗脱31% 和35% 的 PM。此外, 以前的研究表明, 短而重的降雨只能从女贞子和珊瑚珊瑚的叶子中洗脱50% 和 62%, 分别为18。然而, 降雨对tabuliformis叶表面的洗脱作用的影响并不明显。因此, 在自然条件下, 只有一小部分的 PM 在叶表面可以洗脱的降雨。当 WC 和 BC 均适用于清洁叶时, 在 SDR 和 LDR 期间, PM 的洗脱率也会被低估约41% 和36%。然而, 更多的 PM 可以洗脱和收集从叶表面后补充 UC 到 WC + BC 清洁叶。因此, 对叶保留的 PM 进行无偏准确的量化, 对传统的叶清理方法来说, 增加 UC 的必要性和重要性。
目前, 大部分的研究都是利用 PM 的保留能力来评估树木的颗粒物去除能力。虽然该指标便于在同一保留期内对 PM 移除能力进行评估, 但同一树种在不同留尘工期下的保留能力也存在较大差异。因此, 在一些研究中提出, 应采用保留效率 (在单位时间的叶面积单位中保留的 PM 质量) 来评估植物的 pm 去除能力, 因为这可以消除由于综合评判而降低 pm 去除能力的评价偏差。会议室留尘持续时间。然而, 这些研究忽略了一个事实, 即只有一小部分的 PM 在叶表面可以洗脱的降雨。根据本研究的结果 (表 1), 该方法可对树木的 PM 去除能力造成五倍的高估。为此, 应运用方程 (2) 的计算方法对树木的 PM 去除能力进行准确的评价。
本研究提出的 pm 洗脱方法用于测定叶片表面的 pm 质量时, 每个实验步骤都必须准确, 尽可能避免人为因素造成的误差。例如, 每个实验的叶子数量取决于具体情况, 并且应该由实验仪器的规格、尘土保留时间、超声参量和其他因素决定。以超声波参数为例, 通过多次初步实验确定超声波清洗时间和离心机速度, 确保实验误差在可接受范围内。此外, 用于洗脱的去离子水的用量也应根据 PM 质量进行调整。此外, 每个小烧杯里都装满了淋洗, 而在烤箱里烘干的时候, 应该用一张干净的滤纸盖上以防灰尘污染。总之, 实验中的每一步都必须小心操作, 以便准确地重复所提出的方法。
对传统的叶清理方法进行超声波清洗是非常必要和关键的, 这样可以更准确、定量地评估树木的 PM 去除能力。为了准确地比较不同树种在不同粉尘滞留时间下的 PM 去除能力, 应采用本研究提出的方法 (2) 计算保留效率。我们建议的综合议定书将有助于准确、不偏不倚和准确地评价城市树木和森林的 PM 净化能力。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了中央大学 (2017ZY21) 和中国国家自然科学基金 (21607038) 基础研究基金的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MSA2258-1CE-DU ten-thousandth scale | Sartorius Scientific Instruments (Beijing) Co., Ltd. | MSA2258-1CE-DU | precision: 0.01 mg |
| The IS13320 laser granularity instrument | Beckman Coulter, Brea, USA | IS13320 | working conditions: liquid/power samples; particle size range of measurement: 0.017-2000 μm |
| Epson Twain Pro high-quality scanner | Seiko Epson, Nagano, Japan | expression1680 | |
| Automatic image analysis software WinRHIZO | Regent Instruments Inc., Quebec, Canada | WinRHIZO Pro 2013a |
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