西昌市大氣重金屬苔蘚監(jiān)測種類篩選

楊冬萍，楊星云，王雪梅，胡金朝

（西昌學院資源與環(huán)境學院，四川 西昌 615013）

0 引言

苔蘚植物門包括苔綱（Hepaticae）、蘚綱（Musci）和角苔綱（Anthocerotae），在中國約有2 000余種［1］。苔綱包含至少330屬，約8 000種苔類植物；蘚綱包含近700屬，約15 000種蘚類植物；角苔綱有4屬，近100種角苔類植物。我國蘚類約1 900余種，分布于南北各省地區(qū)，其對生存環(huán)境要求較高，大部分一般生長在森林茂密的高山深谷中［2］。苔蘚植物沒有真正的根和維管組織系統(tǒng)［3］，對大氣中污染物的吸附能力較強［4］，同時由于元素無法在體內(nèi)長距離運輸，其積累的重金屬物質(zhì)主要源于大氣沉降。因苔蘚植物獨特的生理和代謝特征［5-6］，常被用作監(jiān)測環(huán)境的植物。

苔蘚監(jiān)測分為被動監(jiān)測和主動監(jiān)測。被動監(jiān)測是利用就地生長的苔蘚監(jiān)測環(huán)境［7］，如活蘚法，適用于苔蘚植物易采集且個體較大的地區(qū)［8］。主動監(jiān)測是根據(jù)某一標準，將特定的苔蘚植物移植到被污染環(huán)境中進行監(jiān)測［9］，如蘚袋法，將采集的苔蘚制作成蘚袋，暴露在被污染的環(huán)境中，適用于苔蘚植物少的地區(qū)［10］。相較于活蘚法，蘚袋法可以確定苔蘚暴露在被污染環(huán)境中的時間及有效控制變量，并且可靈活地選擇監(jiān)測點的位置和數(shù)量，可以避免許多外界因素的干擾［11］。

西昌市對苔蘚植物的研究還在初步階段。為了篩選出適宜西昌地區(qū)大氣重金屬監(jiān)測的苔蘚植物，本研究通過采集西昌市主要地區(qū)的苔蘚植物，對其進行種類鑒定、生理生化特征分析測定，綜合生理生化數(shù)據(jù)和重金屬富集量，篩選出適合西昌地區(qū)大氣重金屬監(jiān)測的優(yōu)勢種。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西昌市位于川西高原的安寧河平原腹地，東經(jīng)101°46′～102°25′，北緯27°32′～28°10′。

1.2 采樣點布設與樣品采集

根據(jù)苔蘚植物在西昌市的分布情況及空氣監(jiān)測站的布設點位在5個區(qū)域布點，位置如圖1所示。于2019年1月，在每個樣區(qū)中有苔蘚植物的樣地內(nèi)按 5 點取樣法設置 5 個 10 cm×10 cm 的小樣方，采集小樣方內(nèi)的所有苔蘚植物［12］。

圖1 采樣地區(qū)

1.3 實驗室分析

各區(qū)域采集的苔蘚植物分成3份，分別用于種類鑒定、生理指標檢測和重金屬檢測。

1.3.1 主要儀器與試劑

儀器：微波消解儀（WX-7000HP，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司）；臺式冷凍離心機（TGL-1650，四川蜀科儀器有限公司）；體式解剖顯微鏡（SMZ-171，Motic）；ICP-MS（NexlON2000，PE）；水浴鍋（SCH-6A，上海舍巖儀器有限公司）；天平（FA1204N，上海舍巖儀器有限公司）。

試劑：Na2HPO4、NaH2PO4·2H2O、H2O2、鹽酸（均來自成都市科隆化學品有限公司、分析純）；核黃素（成都市科龍化工試劑廠、分析純）；90%乙醇（成都金山化學試劑有限公司，分析純）；甲醇、碳酸鈣、氫氧化鉀（均來自恒興試劑、分析純）；石油醚、無水硫酸鈉（均來自天津市大茂化學試劑廠、分析純）。

1.3.2 苔蘚種類鑒定

用濾紙擦干植物表面水分，用體視解剖顯微鏡對苔蘚植物進行觀察并拍照。將其在體視解剖顯微鏡下的照片以及苔蘚植物的外部結構、性狀與中國數(shù)字植物標本館（Chinese Virtual Herbarium，簡稱CVH）中苔蘚植物標本、中國植物物種信息數(shù)據(jù)庫、植物檢索表、《中國生物物種名錄——苔蘚植物》［13］等進行對比，對苔蘚植物進行種類鑒定。

1.3.3 生理生化指標測定

采用紫外分光光度法測定過氧化氫酶（CAT）活性以及葉綠素、類胡蘿卜素、花青素含量［13］；采用考馬斯亮藍G-250比色法測定可溶性蛋白含量［14］；采用氮藍四唑（NBT）光化還原法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性。

1.3.4 重金屬含量測定

樣品去除雜質(zhì)后用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗3遍，晾干后于干燥箱內(nèi)40 ℃烘48 h至恒重。用陶瓷研缽將樣品研碎，過篩，存放于廣口瓶內(nèi)。為避免對試驗結果產(chǎn)生影響，操作中不使用金屬器具［16］。每份樣品均勻稱取500 mg，加入8 ml HNO3和2 ml H2O2進行微波消解，消解后定容至100 ml待測。采用ICP-AES法分別測定樣品中的Pb、Cr、Fe、Cu和Zn這5種重金屬元素。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

用Origin2022軟件繪制圖表，用SPSS26軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 苔蘚植物種類鑒定結果

所選5個采樣點共采集鑒定了5種苔蘚植物，其中市政府片區(qū)2種，其余4個采樣點均只有1種（表1），總體來說，所選取的5個采樣點苔蘚植物種類偏少。

表1 苔蘚植物種類鑒定

2.2 苔蘚生理生化指標測定結果

2.2.1 色素

葉綠素含量變化表示光合作用的強弱，并可表征在逆境下的植物組織、器官生理以及衰老狀況。苔蘚植物喜陰，高含量的葉綠素對苔蘚植物在弱光中的捕獲能力有支持作用，增加光合速率［17-18］。類胡蘿卜素可以消耗過剩光能，防止過多光照對葉綠體的傷害，促進光合作用［19］?；ㄇ嗨厥谴嬖谟谧匀唤缰参镏械囊活愄烊簧兀苫ㄉ账獾玫降囊活愜赵?0］，具有清除自由基、抗氧化和抗突變的能力，維持植物健康狀況。

大灰蘚、大羽蘚、美喙蘚和牛舌蘚中各種色素質(zhì)量分數(shù)大小均依次為花青素＞總葉綠素＞葉綠素a＞類胡蘿卜素＞葉綠素b，而鱗葉蘚中各色素質(zhì)量分數(shù)大小依次為總葉綠素＞葉綠素a＞花青素＞類胡蘿卜素＞葉綠素b。綜合各色素質(zhì)量分數(shù)分析，美喙蘚、大灰蘚和牛舌蘚富集色素能力相對較強（圖2），光合作用強，植物生長優(yōu)勢較為明顯。

圖2 西昌市苔蘚植物色素質(zhì)量分數(shù)

2.2.2 可溶性蛋白

可溶性蛋白作為植物抗旱以及生長發(fā)育的重要物質(zhì)之一［21］，是植物生長的重要調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有供能和維持滲透壓的能力，緩解逆境帶來的傷害［22］。

從圖3可以看出，大灰蘚和牛舌蘚中可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)相對較高，其次為美喙蘚，再次為鱗葉蘚，大羽蘚中可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)非常小。綜上推測，大灰蘚、牛舌蘚和美喙蘚抗逆境能力相對較強，鱗葉蘚較弱，大羽蘚最弱。

圖3 西昌市苔蘚植物可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)

2.2.3 抗氧化酶

研究［23］顯示，植物活性氧自由基的產(chǎn)生和清除是2個相反的過程，只有在這2個過程達到平衡時活性氧自由基才能保持在較低水平，避免細胞受損。SOD、POD、CAT是植物適應多種逆境脅迫重要的酶類，其中SOD是植物清除O2-的有效酶，可將O2-轉(zhuǎn)化為氧化作用相對較強的H2O2，而POD、CAT則進一步轉(zhuǎn)化為H2O和O2的有效酶。從圖4可以看出，5種苔蘚植物中均是POD酶活性最大，其次是SOD，再次為CAT；綜合來看，牛舌蘚和大灰蘚抗氧化酶活性最高，其次是美喙蘚，其清除與轉(zhuǎn)化自由基的能力相對較強，使活性氧自由基處于較低水平。

圖4 西昌市苔蘚植物抗氧化酶活性

2.2.4 重金屬指標

已有研究表明，不同苔蘚植物對同一重金屬的富集程度不同，同一苔蘚植物對不同重金屬的富集程度也不同［24］。

通過試驗測得西昌市4種苔蘚植物重金屬質(zhì)量分數(shù)如圖5所示（大羽蘚由于個體過小未測定）。綜合來看，美喙蘚富集金屬能力最強，鱗葉蘚較強，牛舌蘚、大灰蘚相對較弱。

圖5 西昌市苔蘚植物5種金屬質(zhì)量分數(shù)

3 討論與結論

3.1 討論

杜慶民等［25］研究顯示，蘚袋內(nèi)重金屬含量與大氣降塵量及大氣顆粒物含量之間具有良好的相關性，并指出了蘚袋法具有背景濃度明確、不易受干擾、測點靈活、推廣簡便、經(jīng)濟等優(yōu)點，蘚袋法監(jiān)測總數(shù)量和地點靈活，特別是城市中由于建設可能導致本土苔蘚植物缺失而無法采用活蘚監(jiān)測，因此蘚袋法更加適用于城市或工業(yè)區(qū)大氣質(zhì)量的監(jiān)測及主要污染源定位［26-27］。西昌市冬季氣候干燥少雨，苔蘚植物種類和數(shù)量少，無法采集到適量的苔蘚，因此篩選適宜的苔蘚制作蘚袋能夠滿足西昌市全年的監(jiān)測的要求。根據(jù)上述對苔蘚植物生理生化等指標的分析，篩選出前3位苔蘚植物（表3）。

表3 最適物種篩選匯總

我國常見的蘚袋法采用的苔蘚植物有泥炭蘚（Sphagnumspp.）［28］、絹 蘚（Entodom）［29］、大灰 蘚（Hypnum plumaeforme）［30］等，同時灰蘚科與青蘚科使用也較多。通過調(diào)查比較，美喙蘚與鱗葉蘚適宜于西昌地區(qū)的監(jiān)測。

3.2 結論

1）不同苔蘚植物對重金屬的富集能力不同，西昌市苔蘚植物中美喙蘚和鱗葉蘚富集重金屬能力相對較強，適合作為西昌大氣重金屬污染的監(jiān)測植物。

2）鱗葉蘚受重金屬脅迫作用響應明顯，其各項生理特征（光合作用、新陳代謝等）均較美喙蘚受影響變化較大。

3）由于西昌市冬季苔蘚植物種類數(shù)量較少，采樣不易，部分苔蘚較小無法檢測，所以蘚袋法更適宜西昌市的苔蘚監(jiān)測。