Summary
超音波洗浄法は、午後は従来のクリーニング方法 (水洗浄のみまたは水洗浄とクリーニング ブラシ) で溶出した後、葉の表面に保持粒子状物質 (PM) を溶出に適用されました。方法論は、葉の PM 保存容量の推定精度を改善するために助けることができます。
Abstract
従来洗浄方法 (水洗浄 (WC) + (BC) のクリーニング ブラシ) に基づいて、本研究は、様々 な大きさで分類された粒子状物質 (PM) 葉の表面上に保持されますを収集で超音波洗浄 (UC) の影響を評価しました。我々 はさらに周囲の空気から定量的 PM を削除する都市木の能力を評価するために役立つ様々 なサイズ午後時まで葉の保持効率が特徴です。
3 広葉樹種 (イチョウ葉、槐スギ、イトヤナギ) と研究の目的として 2 つ針葉樹における木種 (マツ tabuliformisとサビーナ成虫) を取って、葉試料最新の降雨後 4 日間 (短い午後保持期間) と 14 日 (長い午後保持期間) を収集しました。葉の表面に保持午後は順番 WC、BC、UC による収集されました。その後、葉 (AE葉) 削除困難時 (DRP) と完全に取り外し可能な午後 (TRP)、簡単に取り外し可能な午後 (ERP) を含む、様々 な大きさで分類された午後の 3 つのタイプの保存効率を算出しました。午後に保持葉合計の約 23%-45% をオフに掃除し、トイレによって収集された可能性があります。WC + BC を葉を洗浄したとき異なる樹種の PM 保存容量の過小評価は WC + 紀元前に UC を補った場合、葉に保持されますすべての PM を削除でした様々 な大きさで分類された時ほとんどの 29%-46% の範囲内だった。
結論としては、UC は、従来の洗浄方法後補完された場合、葉の表面に以上の PM を溶出し、収集可能性があります。本研究で開発したプロシージャは、異なる樹種の PM 除去能力を評価するために使えます。
Introduction
周囲の空気から PM を削除する樹種の能力は、葉の表面に保持時の質量を定量化によって評価できます。この目的を達成するため減算方法1、2、膜フィルター方法3,4、5、および粒子サイズ分析6と相まって溶出計量法がされています。PM2.5量を定量的に調べるに適用 (径 ≤ 2.5 μ m)、PM10 (径 ≤ 10 μ m) または総浮遊粒子 (TSP) 葉上に保持されます。ただし、これらの方法の正確性は基本的には葉の表面に保持午後の収集でのパフォーマンスに依存します。現時点では、1 つまたは 2 つの手順が含まれています洗浄関連の研究で頻繁に使用法従来の葉にはすなわち洗濯は水だけ (吸収し、脱イオン水を使用して葉をすすいでください)3,7またはブラッシング5,プラス8,9します。 ただし、いくつかの研究10、11 、葉の表面に午後でした従来洗浄方法によって完全に溶出しないを示しました。超音波洗浄は、高速、高品質、およびオブジェクトの表面にはほとんど損傷の利点は、それは複雑な微細構造と葉の表面に保持する PM を収集するために使用する大きな可能性を秘めてをいます。現時点では、超音波洗浄で適用されている午後の葉の表面に保持されますを収集するためにいくつかの研究 (すなわち、脱イオン水に葉を入れてし、PM を溶出する超音波洗浄機を使用)12,13。ただし、このメソッドは、葉面からの午後の収集に肯定的な効果を持つ超音波洗浄し、, 最適な動作パラメーターがクリアもかどうかは知られていませんが、洗浄方法、葉を補完するものとしてのみされます。私たちの以前の研究は、適切な超音波クリーニング手順は従来のクリーニング方法11 に補われた場合にイチョウ葉の表面に保持する PM が完全に葉の表面を破壊することがなく溶出することを示しています。.ただし、安定性と超音波洗浄の一般的な適用性別ダスト保持期間を経験している別の植物種のパラメーター (超音波出力、時間、およびその他の情報) がまだ明確ではないです。
現在、PM2.5、午後10、または単位葉面積の TSP の質量は周囲の空気14,15から PM を削除する樹種の能力を評価するしばしば利用されています。自然条件下で葉の表面に保持午後を 2 つの部分に分類できます: 最初の部分は風の影響により葉から落ちることができます午後、降雨量、その他の部分は葉にしっかりと付着している PM 表面し ea をすることはできません軽く降雨による洗浄。ただし、いくつかの研究は、葉の表面に午後の両方のタイプの質量に焦点を当てています。さらに、さまざまな研究で葉の午後保存期間は非常に異なります。これらの研究の結果の比較は、貧しい人々、午後単位葉面積の保持量が木16PM 除去能力を評価するために採用している場合になります。PM 保存効率 (単位時間あたり単位葉面積に保持時の質量)、その結果、別の方法として都市の木5,17の午後水質浄化効果を評価する提案されました。一般的には、まだこの面で研究の欠如があります。非常に異なる樹種樹種の PM 除去能力を正確に評価するための方法論的基礎とデータのサポートを提供するための関連する研究を実施する必要があります。
3 広葉樹種 (G. biloba槐スギ、イトヤナギ) と 2 針葉樹における樹種 (マツ tabuliformisとサビーナ成虫) がここでは、選択された評価、PM 除去能力 2 つの午後の保存期間。葉の採取は、西土城公園 (39.97 ° N、116.36 ° E)、北京の重い汚染地区に位置します。本研究の 3 つの特定の目的があった: (1) 洗浄方法 (水洗浄 (WC)、ブラシ洗浄 (BC) と超音波洗浄 (UC)) の超音波洗浄の効果を検証するには (2) の葉に PM を溶出に異なる葉の効率を評価するには午後、溶出、小さじ、午後10PM5時2.5午後1樹種の保持効率を評価する (3)。
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Protocol
1. 葉のコレクション、溶出、午後の質量測定
- 各樹種と同様胸高直径の 5 健全個々 木 (すなわち、 5 レプリケートします) を選択します。中間の樹冠層の外側のキャノピーの 4 つの方向からランダムに 4 つのより大きい枝を収集し、すべてそのまま葉を切り落とします。
注: すべての植物の葉をサンプリングするため必要があります密接に約の長さと幅を持つ緑化帯板 250、60 m, これらの木の環境条件 (風、光、そして雨) が類似していることを確認します。プロトコルに使われる葉は、2014 年最新降雨 (> 15 mm) 後、4 日から 14 日であった 10 月 15 日 (短いダスト保持 (SDR) 期間) と 10 月 25 日 (長いダスト保持 (LDR) 期間) を収集しました。26 (PM2.5)、57 (10PM), 111 (PM2.5) され、短いファイル名と長いほこり保有期間 (すなわち、最後の降雨量と葉のサンプリング時間間隔) で実験の下で午後の平均レベル 160 μ g/m 3(PM10)、それぞれ。- ラベル付きのビニール袋でサンプリングされた葉を配置し、すぐに研究室にバッグを輸送します。冷蔵庫の中に葉のサンプルを格納します。
- 洗浄し、80 ° C のオーブンでビーカーを乾燥します。部屋の温度と湿度にビーカーを平衡させ、空のビーカー (1W) の重量を量る。
- ランダムに葉サンプルから葉量を選び、1000 mL ビーカー (ビーカー A) に葉を置きます。
注: 葉面積は約 2000 cm2をすべての葉は、完全に水に浸漬することができ、溶出のほこりが正確に圧迫する十分な重量を保証することができます。 - 270 mL の脱イオン水を加えるビーカー A と水に葉を完全に浸します。
- 60 のための水をかき混ぜ一方向にガラス棒を使って s (周波数: 1 回転 2 秒)。その後、3 つの 100 mL の小さなビーカーに溶離液を注ぐ (ビーカーに) 均等に。
- 30 mL の脱イオン水と微細先端スクイズ ボトルを使用して葉を洗浄し、洗浄の葉を 1000 mL ビーカー (ビーカー B) に転送します。3 つの 100 mL の小さなビーカーに溶離液を注ぐ (ビーカーに) 均等に。
- ビーカー B に 270 mL の脱イオン水を追加し、再度水で葉を浸します。その後、脱イオン水で (プラスチック薄板フラットに配置する) 葉の表面をゴシゴシし、葉の表面の微細構造を破壊することを避けるためにナイロン ブラシを使用します。3 つ 100 mL 小さいビーカー (ビーカー b) に溶離液を注ぐ。
- ファインチップ 30 ml の脱イオン水でしぼれるボトルを使用して葉を洗って葉を 1000 mL ビーカー (ビーカー C) に転送。3 つ 100 mL 小さなビーカー (ビーカー b) に溶離液を注ぐ。
- ビーカー c 270 mL の脱イオン水を追加し、再度水で葉を浸します。
- ガラス容器を超音波洗浄機に入れます。広葉樹と針葉樹における樹種のきれいに、3 分、葉の 10 分 500 W の超音波パワーをそれぞれ使用。一方向にガラス棒を使って葉をかき混ぜる (周波数: 1 つのための 2 秒サークル) 同時に。
- しぼれるボトルを用いたファインチップ 30 mL の脱イオン水で葉を洗い、3 つの 100 mL の小さなビーカー (ビーカー c) に溶離液を注ぐ。
- きれいなフィルター ペーパーの作品をカバー (直径 11 cm、領域を = 94.99 cm2=) 各ビーカー (a、b、c) のビーカーの質量が一定になるまで約 5 日間の 80 ° C のオーブンでビーカーを乾燥し、。
- ビーカーを入れて、30 分の湿度・温度を平衡にバランス室と各 100 mL ビーカー (2W) の質量をはかります。W2W1各クリーニング ステップによって溶離される時の質量を計算します。
2 PM 粒径分布と葉面積の測定
- 上記の各重量を量られたビーカー (a、b、c) を脱イオン水 50 mL を追加し、脱イオン水に分散する PM まで、30 分間超音波洗浄機でこれらのビーカーを置きます。
- レーザー粒度計測器にビーカー (a、b、c) の上清を追加し、別のクリーニング手順によって溶離される時のサイズ分布の測定します。
- 異なるサイズの粒子の質量割合 (Q) に測定ボリュームのパーセンテージを想定してください。式 (1) によって各クリーニングのステップによって溶離される異なるサイズの粒子の割合を計算します。
(1)
Pi, jが私; クリーニングのステップによって葉の表面から溶離されるj径クラス内で粒子の質量の割合 (%) を表しますW私は私; クリーニングのステップによって溶離されるすべての大きさで分類された粒子の総質量 (g) を表しますQi, jは私; クリーニングのステップによって溶離される PM の総量でj径クラス内で粒子の質量の割合 (%) を表します私はクリーニングのステップ (すなわちWC、BC 州とカリフォルニア大学);j d ≤ 1 μ m (午後1) に設定された、直径クラス 1 < d ≤ 2.5 μ m (午後1 〜 2.5) 2.5 < d ≤ 5 μ m (PM2.5-5) 5 < d ≤ 10 μ m (午後5-10)、d > 10 μ m (PM> 10) 本研究では。
- 異なるサイズの粒子の質量割合 (Q) に測定ボリュームのパーセンテージを想定してください。式 (1) によって各クリーニングのステップによって溶離される異なるサイズの粒子の割合を計算します。
- プラスチックに広がり葉ボードし、高品質スキャナーで葉をスキャンします。表面積と葉の投影面積を推定するのに自動画像解析ソフトウェアを使用します。
注: プロトコルはここで一時停止することができます。
(1)3. データの表示および分析
- ERP と WC + 紀元前によって溶離されることができる DRP の合計として総取り外し可能な粒子状物質 (TRP) を計算 + UC。
- 別のほこり保存期間の下で別のクリーニング手順 (すなわちWC、BC、UC) によって溶離される対応する径クラス内で午後の質量の合計として葉の保持 specificdiameter クラス内で午後の総質量を計算します。
- これらのデータと葉面積のデータを使って、方程式 (2) を用いた葉単位表面積に様々 なサイズの粒子の保持効率 (AE葉) を計算します。
(2)
LZjとSZjが下で LDR の SDR、期間単位葉面積にそれぞれ保持j径クラス内で粒子の質量 (g)LT 、 ST LDR と SDR の期間の日数は、それぞれ。
- これらのデータと葉面積のデータを使って、方程式 (2) を用いた葉単位表面積に様々 なサイズの粒子の保持効率 (AE葉) を計算します。
- SPSS のソフトウェアとすべての統計分析を行います。
- PM 保存容量データと異なるサイズの粒子の溶出割合をそれぞれ、正規の分散分析の前提条件と分散の均一性を確認するのに、コルモゴロフ-スミルノフ検定とレーベン テストを使用します。
- 様々 なダスト保持期間の下で異なるサイズの粒子の溶出割合の別のクリーニング手順の効果を調査する一方向の分散分析を適用します。ダンカンのテストを使用して、(P = 0.05) クリーニング手順が異なる間で有意差を検出します。
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Representative Results
葉の表面に保持午後いた自然な条件の下で 2 つのタイプ。PM は、降雨により簡単に落ちるし、自然条件下での風は簡単に取り外し可能な粒子状物質 (ERP) として定義されています。午後のこのタイプは、本研究ではトイレによって溶離される PM によって表されました。しっかりと葉に付着した PM 表面し、簡単に BC で洗い流されることはできません UC 削除困難な粒子状物質 (DRP) として定義されています。このような時は、自然降雨と風が溶出できません。
質量の比率は異なるクリーニング手順によって溶離される様々 な大きさの PM の 5 樹種間で有意差があった。その結果, 異なる大きさで分類された PM の数が多いが (図 1図 2図 3図 4、および図 5) トイレで葉面から溶出しました。平均は 5 樹種の PM を様々 な大きさの比率 (ERP) を溶出し、それぞれ 31%、SDR 下で LDR、35% であった (図 6)。
また、トイレは、 S の成虫を下で LDR 期間の特に針葉樹における樹種 (P. tabuliformisとS の成虫)、葉に PM を溶出に大きく影響を示した。など、トイレの溶出割合だった紀元前のそれより有意に高いと UC (P 0.05 <) サイズすべての午後を除く午後の> 10。BC で葉を洗浄後様々 な大きさで分類された PM の大きい分数も溶出した、それぞれ 28%、SDR と LDR 期間 [29% だった。トイレと同様に、米スギの BC の最も明確な溶出作用が観察されました。紀元前の溶出割合だったトイレのそれよりも有意に高かった (P 0.05 <) SDR と LDR の両方の期間の下に PM のすべての一部分のため。また、BC の溶出作用だった UC のそれよりも有意に高かった (P 0.05 <) 直径 < 5 μ m (図 6) 午後を除きます。午後の大部分は、WC + BC で葉面から溶出が、小さい直径を持ついくつかの PM は、葉の表面に依然。その後、UC は、きれいな葉に適用されたとき残留分葉の表面に保持された溶出完全に (図 1、図 2、図 3、図 4、と図 5)、溶出割合 41 %sdr 下で LDR (図 6) 36% であったとします。さらに、UC が適用されたとき小さい大きさで分類された午後の溶出割合が高かった。したがって、午後の質量は、どうやら、従来溶出方法を葉に PM を溶出するだけとった場合に過小でしょう。S. きたの特に直径のすべてのクラスの午後の溶出割合の平均値は 46%、 P. tabuliformisのそれよりも高い (43%)、 G. biloba (42%)、米スギ(31%)、によって過小評価だろうs.成虫(29%)。
5 樹種の午後の異なる種類のAEの葉は表 1に示します。2 つの方法によって計算された保持効率に大きな差があった。式 (2) によって推定結果と比較して、 AE葉計算式 (3): 保持効率 (mg/m2·d-1) = 単位葉面積 (mg/m2) で、午後の質量/ダスト保持期間 (d) だった約 5 倍高い。特に米スギ式 (3) によって計算される ERP の午後1だった 18.94 倍式 (2) によって計算されます。ERP に関する、樹種の TSP AE葉12.69、34.69 mg·m-2·d-1の間で変化し、次の順序で減少: P. tabuliformis >米きた>G. biloba >米スギ> s. 成虫。以前の研究で異なる樹種の TSP AE葉35.27 と 85.79 mg·m-2·d-1の間で変化し、次の順序で減少:米スギ> s. 成虫> S.きた> P. tabuliformis > G. biloba。種類 (ERP、DRP、TRP) の様々 な大きさで分類された午後の維持における樹種の保持効率も変わるといいます。本研究では、米スギは, 4.3 21.91 mg/m2·d-1、それぞれ午後1と午後2.5TRP の維持における最高のAE葉を展示しました。S. きた午後5 (40.98 mg/m2·d-1) と PM10 (62.01 mg/m2·d-1) の TRP を維持することに最高のAEの葉があった。さらに、 s. 成虫は他の樹種より午後1、午後2.5、および午後5のより多くの ERP を保つことができます。
図 1: 粒子状物質残留の異なる溶出のステップの後イチョウの葉します。AとBは、イチョウの葉の上下の辺のスタンドします。別の番号の略別溶出のステップ。(1: クリーニング; なし 2: 単一水洗浄; 3: 水クリーニング + ブラシ クリーニング;4. クリーニング + ブラシ洗浄 + 超音波洗浄の水)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: の粒子状物質の残渣は異なる溶出のステップの後マツ tabuliformisの葉します。A 、 B立つアカマツの tabuliformisの葉の凸面と凹面の側面のため。別の番号の略別溶出のステップ。(1: クリーニング; なし 2: 単一水洗浄; 3: 水クリーニング + ブラシ クリーニング;4. クリーニング + ブラシ洗浄 + 超音波洗浄の水)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 粒子状物質残留の異なる溶出のステップの後槐スギの葉します。A Bのスタンド槐スギの葉の上下。別の番号の略別溶出のステップ。(1: クリーニング; なし 2: 単一水洗浄; 3: 水クリーニング + ブラシ クリーニング;4. クリーニング + ブラシ洗浄 + 超音波洗浄の水)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 粒子状物質残留の異なる溶出のステップの後シダレヤナギの葉します。AとBはシダレヤナギの葉の上下の辺のスタンドします。別の番号の略別溶出のステップ。(1: クリーニング; なし 2: 単一水洗浄; 3: 水クリーニング + ブラシ クリーニング;4. クリーニング + ブラシ洗浄 + 超音波洗浄の水)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 異なる溶出のステップの後に粒子状物質残留葉サビーナ成虫。A Bの略円錐形およびスケール フォームはサビーナ成虫の葉します。別の番号の略別溶出のステップ。(1: クリーニング; なし 2: 単一水洗浄; 3: 水クリーニング + ブラシ クリーニング;4. クリーニング + ブラシ洗浄 + 超音波洗浄の水)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 6: 質量の比率は様々 なサイズの粒子状物質の樹種の葉上に保持されます。A Bにそれぞれ短い (SDR) の長 (LDR) ダスト保持期間、立ち上がって。WC、BC、UC は、単一の水洗浄、ブラシ洗浄、超音波洗浄、それぞれに立っています。データは、平均 ± SE 異なるデータ バーの上の文字 (a、b、c) を示す有意差 (P < 0.05) 別のほこり保存期間の下で異なるサイズの粒子の溶出割合の別のクリーニング手順の中で。ダンカンのテストによると。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
表 1: PM 単位葉面積に保持のさまざまな種類の質量。ERP、DRP、TR は、それぞれ簡単に取り外し可能なダスト保持能力、困難なほこり保持容量と総粉塵保持容量の立っています。式 (2): 保持効率 (mg/m2·d-1) = 下で LDR と SDR 期間 (mg/m2) の単位葉面積に PM の減算質量/(d); LDR と SDR の期間の間ダスト保持期間式 (3): 保持効率 (mg/m2·d-1) = 単位葉面積 (mg/m2) で、午後の質量/ダスト保持期間 (d)。
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Discussion
葉の表面に保持する PM の正確かつ適切なコレクションは異なる樹種の PM 除去能力を評価するための基礎です。しかし、従来の洗浄方法 (WC または紀元前プラス) 電子顕微鏡10をスキャンすることによって確認されている葉の表面の埃を完全に削除できません。これはさらに本研究で明確に実証された (図 1、図 2、 図 3図 4、および図 5)。我々 の研究によれば、トイレがきれいな葉に適用された場合にのみ葉面上午後だろう過小評価約 69%、SDR と LDR 期間の下で 65%、それぞれ。すなわち、一定の強度と降雨の短い期間はこの葉表面からに 31%、PM の 35% を溶出のみ。さらに、以前の研究では、50%、ガマズミ属の木 odoratissimum、それぞれ18トウネズミモチの葉から PM の 62%、短くて重い降雨量が溶出のみを示しています。しかし、 P. tabuliformisの葉の表面に保持する PM を溶出に及ぼす降雨の影響は明らかではなかった。その結果、自然条件下で葉の表面に午後のほんの一部が降雨による溶出でした。WC と BC がきれいな葉に適用されたとき午後の溶出割合だろうも過小評価される約 41%、SDR と LDR 期間の下で 36%、それぞれ。ただし、以上の PM を溶出、葉を洗浄トイレ + 紀元前に UC を補足後葉面から収集された可能性があります。したがって、葉によって保持される PM の公平かつ正確な定量化, それは必要かつ洗浄法従来の葉に UC を追加することが重要です。
現時点では、木の粒子状物質の除去能力を評価するために葉の表面に保持する PM の保存容量を使用してほとんどの研究。このインジケーターは同じ保持期間の下で PM 除去能力を評価するため便利ですが、同じ樹種別ダスト保持期間の下での保持力に大きな差があります。したがって、ことが提案されたいくつかの研究で、これは dif による PM 除去能力の評価の偏差をなくすことができます保持能率 (単位時間当たりの葉面積の単位に保持時の質量) 工場 PM 除去能力を評価するために適用されることフュジー塵保持期間で。ただし、これらの研究は、日葉の表面の小さい部分だけ降雨による溶出という事実を無視します。さらに、(表 1) の研究結果によると、木の PM 除去能力の 5 回過大評価このメソッド可能性があります。このため、木の PM 除去能力を正確に評価する式 (2) の計算方法を適用する必要があります。
葉の表面に午後の質量を決定に使用された PM 溶出法を本研究で提案するとき各実験の手順する必要があります正確し、可能な限り人間の要因によって引き起こされるエラーを避けるため。たとえば、各実験のための葉の数、特定の状況に依存し、実験計測器、ダスト保持期間、超音波パラメーター、およびその他の要因の仕様によって決定する必要があります。例として超音波パラメーターを取る超音波の洗浄時間と遠心速度決定してください複数の予備実験で実験の誤差が許容範囲内に確実に。さらに、溶出用の脱イオン水の量は、午後の質量に応じて調整もする必要があります。その上、それはオーブンで乾燥中の溶離液でいっぱい各小さなビーカーは、粉塵公害を防ぐためにきれいなフィルター ペーパーの部分でカバーされなければなりません。簡単に言えば、実験の各ステップは、慎重に正確に提案手法を繰り返すために作動しなければなりません。
非常に必要なより正確にかつ定量的木の PM 除去能力を評価することができますように、洗浄方法、従来の葉に超音波洗浄手順を補足することが重要です。異なるダスト保持期間を経験している樹種の PM 除去能力を正確に比較するために本研究で提案する手法 (式 (2)) を使用して保持効率を計算する必要があります。当社の包括的な提案は、正確、公平、かつ正確な方法で都市の木と林の午後浄化能力の評価の役に立つでしょう。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品は、中央大学 (2017ZY21)、中国の国家自然科学基金 (21607038) の基礎的研究資金によって支えられました。
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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