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Jul 05, 2023

Blattpartikelretention und Anreicherung toxischer Spurenelemente bei sechs Pflanzenarten am Straßenrand in einer subtropischen Stadt

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12831 (2023) Diesen Artikel zitieren 222 Zugriffe auf Metrikdetails Als Hauptquelle für Luftverschmutzung, Feinstaub (PM) und damit verbundene toxische Spuren

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12831 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Als Hauptquelle der Luftverschmutzung stellen Feinstaub (PM) und die damit verbundenen toxischen Spurenelemente eine potenziell ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit und die Umweltsicherheit dar. Es ist bekannt, dass Pflanzen die Feinstaubbelastung der Luft reduzieren können. Allerdings ist der Zusammenhang zwischen PM unterschiedlicher Größe und toxischen Spurenelementen in Blatt-PM noch unklar. Diese Studie wurde durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen PM unterschiedlicher Größe (PM2,5, PM10, PM>10) und toxischen Spurenelementen (As, Al, Cu, Zn, Cd, Fe, Pb) sowie die Korrelation zwischen toxischen Elementen zu untersuchen Spurenelemente von sechs Pflanzenarten am Straßenrand (Cinnamomum camphora, Osmanthus fragrans, Magnolia grandiflora, Podocarpus macrophyllus, Loropetalum chinense var. rubrum und Pittosporum tobira) in Changsha, Provinz Hunan, China. Die Ergebnisse zeigten, dass P. Macrophyllus die höchste Fähigkeit hatte, PM zurückzuhalten, und dass C. camphora bei der Zurückhaltung von PM2,5 überragend war. Es wurde dringend empfohlen, die Kombination aus P. Macrophyllus und C. Camphora in der subtropischen Stadt anzupflanzen, um Feinstaub effektiv zu reduzieren. Die in Blatt-PM angesammelten toxischen Spurenelemente variierten je nach Pflanzenart und PM-Größe. Die Zwei-Wege-ANOVA zeigte, dass die meisten toxischen Spurenelemente signifikant von der Pflanzenart, der PM-Größe und ihren Wechselwirkungen beeinflusst wurden (P < 0,05). Darüber hinaus zeigten lineare Regressions- und Korrelationsanalysen die Homologie der meisten toxischen Spurenelemente in Blatt-PM, was Pflanzen als Prädiktoren für PM-Quellen und Umweltüberwachung bestätigte. Diese Erkenntnisse tragen zur Kontrolle der städtischen Luftverschmutzung und zur Optimierung der Landschaftsgestaltung bei.

Die Verschmutzung der Atmosphäre durch Feinstaub (PM) wird mit zunehmender Urbanisierung und Industrialisierung immer schwerwiegender, was eine ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit und die Umweltsicherheit darstellt und daher große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat1,2,3,4,5. PM sind alveolengängige, in der Luft schwebende Partikel, die als PM2,5 (kleiner oder gleich 2,5 μm), PM10 (größer als 2,5 μm und weniger als 10 μm) und PM>10 (größer oder gleich) klassifiziert werden können 10 μm) basierend auf der Partikelgröße6,7,8.

Pflanzen am Straßenrand haben das Potenzial, atmosphärische Partikel zurückzuhalten und die Luftqualität zu verbessern9,10,11,12. In den letzten Jahren konzentrierten sich Forscher auf die Mechanismen der PM-Retention in Pflanzen und die Faktoren, die die PM-Retention beeinflussen. Bei der Pflanze selbst beeinflusste die Mikromorphologie der Blattoberfläche die PM-Retentionskapazität13,14. Neueste Untersuchungen ergaben, dass die durch Evapotranspiration verursachte Veränderung des Mikroklimas auf der Oberfläche von Pflanzenblättern einen erheblichen Einfluss auf die Rückhaltung von PM2.515 hatte. Die Fähigkeit von Pflanzen, Feinstaub zurückzuhalten, kann durch Pflanzmuster und dreidimensionale Konfigurationsstrukturen beeinflusst werden16. Ebenso wichtig waren die Auswirkungen meteorologischer Faktoren auf die PM-Retention der Pflanzen, beispielsweise Niederschlag und Wind17.

Abgesehen von ihrer Fähigkeit, Feinstaub zurückzuhalten, kann die Rolle von Pflanzen bei der Umweltüberwachung nicht ignoriert werden18,19. Große Mengen toxischer Spurenelemente sind in atmosphärischem PM20 enthalten,21 und PM, der toxische Spurenelemente enthält, kann in andere Ökosysteme gelangen22 und dann in Organismen angereichert werden, wodurch deren Gesundheit gefährdet wird20. Daher hat die Untersuchung toxischer Spurenelemente in Feinstaub erhebliche Auswirkungen auf die Risikobewertung und Umweltüberwachung. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat gezeigt, dass PM von Pflanzenblättern im Wesentlichen die Zusammensetzung toxischer Spurenelemente in der Umwelt widerspiegeln kann23. Dennoch herrscht immer noch große Verwirrung über Blattstaub und die damit verbundenen toxischen Spurenelemente. Wie ist die Zusammensetzung toxischer Spurenelemente in Feinstaub unterschiedlicher Größe, die von Pflanzen zurückgehalten werden? Ist es möglich, dass Pflanzenarten PM unterschiedlicher Größe beeinflussen, um toxische Spurenelemente zurückzuhalten? Wer bestimmt die Konzentration toxischer Spurenelemente im Feinstaub der Blätter?

In dieser Studie wurden sechs Straßenanlagen in Changsha, Provinz Hunan, einer typischen subtropischen Stadt in China, untersucht. Wir haben den Gehalt an PM in verschiedenen Größenfraktionen auf ihren Blättern und den damit verbundenen toxischen Spurenelementen gemessen. Wir analysierten auch den Zusammenhang zwischen PM unterschiedlicher Größe und toxischen Spurenelementen sowie die Korrelation zwischen toxischen Spurenelementen, die in früheren Studien selten beobachtet wurde. Die Ziele dieser Studie bestanden darin, (1) die Fähigkeit verschiedener Pflanzen zu bewerten, Partikel verschiedener Größenfraktionen sowie toxische Spurenelemente zurückzuhalten, (2) die treibenden Faktoren für den Gehalt toxischer Spurenelemente in Partikeln zu analysieren und (3) offenbaren mögliche Zusammenhänge zwischen toxischen Spurenelementen aus Feinstaub. Unsere Ergebnisse können zum Wissen über die Fähigkeit gewöhnlicher Straßenpflanzen, Feinstaub und toxische Spurenelemente zurückzuhalten, sowie über deren mögliche Assoziationen im subtropischen Gebiet beitragen. Gleichzeitig kann unsere Studie eine theoretische Grundlage für die Pflanzenkonfiguration in städtischen Grüngürteln und den Einsatz von Pflanzen in der Umweltüberwachung liefern. Darüber hinaus kann unsere Arbeit innovative Perspektiven für die Untersuchung von Blattmehl liefern.

Abbildung 1 zeigt die Unterschiede zwischen Pflanzenarten in der Rückhaltung von PM in verschiedenen Größenfraktionen. Die gesamte PM-Retentionskapazität von P. Macrophyllus war am höchsten (3,8464 g/m2) und lag damit deutlich höher als die der anderen fünf Pflanzen (P < 0,05). Podocarpus Macrophyllus wies auch die höchste Rückhaltung von PM10 (0,1426 g/m2) und PM>10 (3,5865 g/m2) auf. Die auf der Blattoberfläche von C. camphora angesammelten PM2,5 waren am höchsten (0,4907 g/m2), was 91,85 % der gesamten PM-Retention von C. camphora ausmachte, während C. camphora die niedrigste PM>10-Retention aufwies (0,0160). g/m2) und zeigte, dass C. camphora bei der Ansammlung von Feinstaub viel effektiver war. Obwohl O. fragrans die geringste Retention an Gesamt-PM aufwies (0,3958 g/m2), war die PM2,5-Retention von O. fragrans (0,2986 g/m2) nur geringer als die von C. camphora und deutlich höher als die von P. Macrophyllus (0,1174 g/m2), L. chinense var. rubrum (0,0254 g/m2), M. grandiflora (0,0101 g/m2) und P. tobira (0,0004 g/m2). PM2,5, PM10 und PM>10 auf der Blattoberfläche machten 75,43 %, 17,60 % und 6,97 % der gesamten PM-Retention von O. fragrans aus, was darauf hindeutet, dass O. fragrans auch bei der Ansammlung feiner Partikel wirksamer war .

Partikelrückhaltevermögen (PM) verschiedener Pflanzen. (a) Gesamt-PM; (b) PM2,5; (c) PM10; (d) PM>10. Verschiedene Kleinbuchstaben in der Grafik stellen signifikante Unterschiede in der PM-Retentionsfähigkeit von Baumarten dar (P < 0,05).

Abbildung 2 zeigt die Konzentrationen toxischer Spurenelemente im Blattstaub verschiedener Pflanzen. Die Verteilung toxischer Spurenelemente in Feinstaub gleicher Partikelgröße war bei den sechs Pflanzen am Straßenrand unterschiedlich. Cinnamomum camphora enthielt die größte Menge an Al, Cu, Zn, Fe und Pb in Blatt-PM>10 unter den sechs Straßenrandpflanzen, und es gab signifikante Unterschiede in den Al-, Cu-, Zn-, Fe- und Pb-Konzentrationen in Blatt-PM> 10 zwischen C. camphora und den anderen fünf Pflanzenarten (P < 0,05). Die höchsten Al-, Zn-, Cd-, Fe- und As-Konzentrationen wurden im Blatt-PM10 von P. tobira gefunden, das deutlich höher war als bei den anderen fünf Pflanzenarten (P < 0,05). Für Al, Zn, Cd und As wies P. tobira unter den sechs Straßenpflanzen die höchste Konzentration an Blatt-PM2,5 auf. Die höchste Fe-Konzentration im PM2,5-Blatt wurde bei P. Macrophyllus beobachtet, die deutlich höher war als bei C. Camphora (P < 0,05).

Konzentration toxischer Spurenelemente in Blattpartikeln verschiedener Pflanzen. Unterschiedliche Farben stehen für unterschiedliche Pflanzen und unterschiedliche Formen für Partikel unterschiedlicher Größe.

Die Verteilung desselben Elements variierte je nach Pflanzenart und Partikelgröße. Für Al, C. camphora [PM>10 (537.825 mg/kg) > PM10 (69.319 mg/kg) > PM2,5 (3506 mg/kg)] und O. fragrans [PM>10 (309.648 mg/kg) > PM10 (91.191 mg/kg) > PM2,5 (7293 mg/kg)] hatte den höchsten Al-Gehalt in PM>10; P. tobira [PM10 (324.958 mg/kg) > PM2,5 (81.472 mg/kg) > PM>10 (25.202 mg/kg)] hatte den höchsten Al-Gehalt in PM10; M. grandiflora [PM2,5 (64.998 mg/kg) > PM10 (25.893 mg/kg) > PM>10 (15.055 mg/kg)] und P. Macrophyllus [PM2,5 (46.844 mg/kg) > PM10 (28.992). mg/kg) > PM>10 (20.169 mg/kg)] hatte den höchsten Al-Gehalt in PM2,5; und es gab signifikante Unterschiede zwischen den drei Partikelgrößen derselben Pflanzenart (P < 0,05), während der Al-Gehalt von L. chinense var. Rubrum wies keinen signifikanten Unterschied zwischen den drei Partikelgrößen auf (P > 0,05). Die Verteilung von Cd und As in den Partikeln verschiedener Pflanzenblätter zeigte nahezu vollständige Konsistenz, was durch die höchsten Werte von PM>10 im Laub von C. camphora, PM2,5 im Laub von M. grandiflora und PM10 in P. tobira belegt wird L. chinense var. Rubrum-Blätter und die Cd- und As-Konzentrationen von O. fragrans und P. Macrophyllus zeigten keinen signifikanten Unterschied zwischen den drei Partikelgrößen (P > 0,05) (Tabelle S1).

Die Ergebnisse der Zwei-Wege-ANOVA (Tabelle 1) zeigten, dass die meisten toxischen Spurenelemente erheblich von der Pflanzenart, der PM-Größe und ihren Wechselwirkungen beeinflusst wurden. Al (F = 36,19, P < 0,001), Cd (F = 6,64, P < 0,001) und As (F = 7,63, P < 0,001) waren stärker von der Wechselwirkung zwischen Pflanzenart und PM-Größe abhängig, während dies bei einigen Elementen der Fall war ebenfalls erheblich von diesen Faktoren beeinflusst, wurden jedoch von der PM-Größe dominiert, wie Cu (F = 8,70, P < 0,001), Pb (F = 11,63, P < 0,001) und Fe (F = 6,53, P < 0,01). Interessanter ist, dass es keinen signifikanten Einfluss der PM-Größe auf Zn gab (P > 0,05). Es gab einen hochsignifikanten Einfluss der Pflanzenarten auf Zn im Feinstaub (P < 0,01).

Eine lineare Regressionsanalyse der toxischen Spurenelementkonzentrationen in Blatt-PM2,5 und der Fähigkeit der Blatt-PM2,5-Retention zeigte, dass eine signifikante Korrelation zwischen Al, As, Cd und Zn bei PM2,5 und der Blatt-PM2,5-Retention bestand (P < 0,05). Es gab jedoch keine signifikante Korrelation zwischen den sieben Elementen und der PM10-, PM>10-Retention in den Blättern (Abb. 3).

Regressionsanalyse toxischer Spurenelementkonzentrationen mit PM-Retention in den Blättern. In der Abbildung werden verschiedene Farben verwendet, um die verschiedenen toxischen Spurenelemente zu unterscheiden. Signifikanzniveaus werden durch P < 0,05, P < 0,01 und P < 0,001 angegeben.

Die meisten toxischen Spurenelemente im Feinstaub zeigten eine hochsignifikante Korrelation (P < 0,05), mit Ausnahme von Pb und Cd (R = 0,259, P > 0,05). Allerdings wurde die Korrelation zwischen toxischen Spurenelementen durch die Partikelgröße beeinflusst. Al und Cu korrelierten nur bei PM>10 (R = 0,780, P < 0,001) signifikant, ebenso für Al und Pb (R = 0,765, P < 0,001), Pb und Zn (R = 0,963, P < 0,001) und Pb und Cd (R = 0,567, P < 0,05) und Pb und As (R = 0,629, P < 0,01). Fe und Al waren nur bei Blatt-PM2,5 (R = 0,308, P > 0,05) nicht signifikant korreliert, analog für Cd und Cu (R = 0,073, P > 0,05), As und Cu (R = 0,119, P > 0,05). , Fe und Cd (R = 0,260, P > 0,05) und Fe und As (R = 0,286, P > 0,05) (Abb. 4).

Korrelationsanalyse zwischen toxischen Spurenelementen. Unterschiedliche Farben repräsentieren unterschiedliche Partikelgrößen. Signifikanzniveaus werden durch *P < 0,05, **P < 0,01 und ***P < 0,001 angegeben.

Die Urbanisierung hat sich beschleunigt und den Druck auf den Verkehr erhöht, was auch zu einem raschen Anstieg der Feinstaubbelastung auf den Straßen geführt hat24,25,26. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Pflanzenarten am Straßenrand Partikel unterschiedlicher Größe effektiv adsorbieren und entfernen können, was die durch den städtischen Verkehr verursachte Umweltverschmutzung in gewissem Maße verringert27,28,29. In unserer Studie wies P. Macrophyllus die höchste Rückhaltung des gesamten Feinstaubs auf und war insbesondere wesentlich effektiver bei der Ansammlung großer Feinstaubpartikel, was mit früheren Untersuchungen übereinstimmt30,31,32. Es ist erwiesen, dass Nadelholzarten aufgrund ihrer einzigartigen Blattstruktur und mikroskopischen Eigenschaften Partikel besser zurückhalten können als Laubholzarten. Die Mikrostruktur von Nadelbäumen besteht aus sauberen „geriffelten“ Streifen und gut angeordneten Spaltöffnungsstreifen mit einer großen Anzahl von Falten und flauschigen Strukturen im Spaltöffnungsbereich, und die Flusengröße ist nanoskalig, was die Oberfläche und Oberflächenrauheit vergrößert ist förderlicher für die Ablagerung abgefangener Partikel30. Schmale Nadeln können leichter von Partikeln in der Luft getroffen werden als große, flache Blätter. Im Vergleich zu abgeflachten Blättern haben schmale Nadelnadeln eine viel größere Stokes-Zahl und daher eine höhere Fangeffizienz31. Podocarpus Macrophyllus wurde hinsichtlich seiner Fähigkeit, PM2,5 zurückzuhalten, nicht als herausragend angesehen, da es physiologische Unterschiede zwischen verschiedenen Nadelbaumarten gab32 und eine geeignete Auswahl von Nadelbaumarten zu einer besseren Verbesserung der Luftqualität führen kann12. Außerdem stellten wir fest, dass C. camphora hinsichtlich ihrer Fähigkeit, PM2,5 zurückzuhalten, P. Macrophyllus und anderen Pflanzen vorzuziehen war. Aktuelle Studien zur Blatteinfangkapazität von PM2,5 bei immergrünen Laubbäumen (C. camphora) sind nicht schlüssig. Einige Forscher fanden heraus, dass C. camphora kleine Partikel nicht effektiv einfängt33,34. Andere haben jedoch nachgewiesen, dass immergrüne Laubbäume eine größere Adsorptionskapazität für PM2,5 haben als Nadelbäume31, und dies steht im Einklang mit unseren Ergebnissen. Der Grund dafür war, dass die Blattspalten PM2.531 adsorbieren können und die Laubbäume (C. camphora) eine höhere Spaltöffnungsdichte aufweisen als Nadelbäume (P. Macrophyllus)35,36,37, sodass C. camphora eine sehr hohe Adsorption zeigte Kapazität von PM2,5. Darüber hinaus würden die subtilen Veränderungen des Umgebungswasserdampfs, die durch die Evapotranspiration der Pflanzenblätter entstehen, ebenfalls dazu beitragen, PM2.515 zurückzuhalten. In unserer Studie hatte P. Macrophyllus die höchste Fähigkeit, PM zurückzuhalten, und C. camphora schnitt bei der Zurückhaltung von PM2,5 hervorragend ab. Daher deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Anpflanzung der Kombination von P. Macrophyllus und C. Camphora in der subtropischen Stadt dringend empfohlen wurde, um PM aus der Luft wirksam zu reduzieren.

Frühere Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf die Adsorption von Feinstaub durch Pflanzen und die Faktoren, die die Reduzierung von PM31 beeinflussen, aber der Zusammenhang zwischen Feinstaub unterschiedlicher Größe und toxischen Spurenelementen im Feinstaub der Blätter bleibt unklar. Unsere Ergebnisse zeigten, dass es für die meisten toxischen Spurenelemente im Feinstaub der Blätter einen „Partikelgrößeneffekt“ gab. Mit Ausnahme von Zn wurden alle Spurenelemente durch die Partikelgröße beeinflusst. Der Mechanismus der Auswirkungen der Partikelgröße auf Spurenelemente ist jedoch noch unklar, was eine Richtung zukünftiger Forschung sein könnte. Darüber hinaus weist der unterschiedliche Gehalt derselben Elemente in Partikeln derselben Partikelgröße darauf hin, dass die Partikel aus unterschiedlichen Quellen stammen können, z. B. die Elementzusammensetzung von Partikeln aus Industriegebieten und nichtindustriellen Gebieten und ihr Gehalt war vollständig anders34. Um den Einfluss von Umweltfaktoren zu vermeiden, befanden sich alle untersuchten Bäume im selben Straßenangrenzungsgebiet. Der wahrscheinlichste Grund ist daher, dass verschiedene Pflanzenblätter giftige Spurenelemente aus derselben Feinstaubquelle absorbieren, was zu Schwankungen in deren Konzentrationen führt. Die Ergebnisse der Zwei-Wege-ANOVA lieferten weitere Hinweise darauf, dass Pflanzenarten und die Wechselwirkung zwischen Pflanzenart und Partikelgröße einen hochsignifikanten Einfluss auf die sieben toxischen Spurenelemente hatten, was in früheren Studien mit solchen Methoden selten nachgewiesen wurde38,39. Verschiedene Pflanzen haben im Allgemeinen unterschiedliche Blattmikrostrukturen, d. h. einige Pflanzen absorbieren eher Spurenelemente aus großen Partikeln auf der Blattoberfläche40,41, während andere eher zu feinen Partikeln wie PM2.542 neigen. Alle toxischen Spurenelemente in PM>10 auf C. camphora-Blättern waren in unserer Studie höher als diejenigen in anderen Partikeln mit Partikelgröße. Einige Pflanzen sind aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Faktoren in den Blättern selektiv bei der Adsorption von Partikeln, was erklärt, warum C. camphora die schlechteste PM>10-Adsorptionskapazität aufweist, aber seine Fähigkeit, toxische Spurenelemente zurückzuhalten, besser ist43.

Theoretisch gilt: Je mehr Partikel auf der Blattoberfläche zurückgehalten werden, desto mehr toxische Spurenelemente sollten sich entsprechend ansammeln39,44. Die Ergebnisse der linearen Regression zeigten jedoch, dass einige toxische Spurenelemente eine signifikante negative Korrelation mit dem Feinstaubgehalt aufwiesen, wenn die Partikelgröße weniger als 2,5 µm betrug. Dieses Ergebnis deutete darauf hin, dass das giftige Spurenelement möglicherweise von den Pflanzenblättern absorbiert wird. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass Pflanzenarten durch ihre Mikrostrukturen und die Feinstaubauswahl den Gehalt an toxischen Spurenelementen im Feinstaub der Blätter beeinflussen können33. Es gibt Erkenntnisse, dass die Pflanzengesundheit auch ihre Fähigkeit, Feinstaub zurückzuhalten, beeinflusst. Gleichzeitig können Partikel auch das Pflanzenwachstum, die Photosynthese, die Atmung und die Transpiration beeinflussen, wenn die Partikelmenge auf der Blattoberfläche eine bestimmte Menge erreicht45. Daher können die Unterschiede in der PM-Retentionskapazität der Blätter und der Anreicherung toxischer Spurenelemente in PM auch auf Unsicherheiten im Zusammenhang mit physikalischen und chemischen Prozessen bei der Wechselwirkung zwischen Pflanzen und Partikeln zurückgeführt werden.

In unserer Studie war das Phänomen eines engen Zusammenhangs zwischen toxischen Spurenelementen in Blattstaub vergleichbar mit den Ergebnissen der meisten Studien46,47,48,49. Obwohl die Pflanzenblattproben im gleichen Zeitraum gesammelt wurden, gab es selbst im gleichen Gebiet einige Diskrepanzen bei den PM-Quellen, zum Beispiel könnten PM am Straßenrand aus Autoabgasen oder PM36 auf der Straße stammen. Es gibt Aufzeichnungen, die darauf hinweisen, dass Cd, Cu, Pb und Zn im Allgemeinen aus Feinstaub im Straßenverkehr stammen50,51, während Fahrzeugabgase As, Cd und Pb mit sich bringen52,53. Die hochsignifikante Korrelation zwischen As und Cd in allen Partikelgrößen in dieser Studie bestätigt die obige Aussage weiter und zeigt auch, dass die PM-Retention auf Pflanzenblättern die Quellen sowie die Verteilung toxischer Spurenelemente in der Umgebung von Straßenrändern ziemlich gut widerspiegeln kann54, 55.

In dieser Studie hatte P. Macrophyllus die stärkste Fähigkeit, PM zurückzuhalten, und C. camphora schnitt bei der Zurückhaltung von PM2,5 hervorragend ab. Es wird dringend empfohlen, die Kombination aus P. Macrophyllus und C. Camphora in subtropischen Städten anzupflanzen, um Feinstaub wirksam zu reduzieren. PM-Größe und Pflanzenarten sowie deren Wechselwirkungen spielten eine wichtige Rolle bei der Konzentration toxischer Spurenelemente in Blattpartikeln. Darüber hinaus hängt die Konzentration toxischer Spurenelemente in Blattpartikeln von den physiologischen Eigenschaften der Pflanze selbst sowie von Umweltquellen ab. Die Pflanzen können anhand toxischer Spurenelemente die Quelle von Feinstaub vorhersagen. Diese Studie liefert eine neue Referenz für die Begrünung von Städten und die Kontrolle der Luftverschmutzung.

Changsha liegt im östlichen Teil der Provinz Hunan (111° 53′–114° 15′ E, 27° 51′–28° 40′ N), in der Zone niedriger Breiten mit subtropischem Monsunklima. Die jährliche Durchschnittstemperatur beträgt 17,2 °C und der jährliche Niederschlag beträgt 1361,6 mm in der Stadt. Die jährliche durchschnittliche PM2,5-Konzentration lag 2017 über dem Grenzwert des chinesischen Sekundärstandards für Umweltluftqualitätsstandards (GB 3095-2012) (35 μg/m3), und die jährliche durchschnittliche PM10-Konzentration entspricht dem Grenzwert des chinesischen Sekundärstandards für Umweltluftqualitätsstandards (GB 3095-2012) (70 μg/m3).

Durch die Untersuchung grüner Baumarten in Changsha haben wir sechs typische immergrüne Laub- und Nadelbaumarten in Changsha ausgewählt, um ihre PM-Retentionskapazität zu überwachen und zu analysieren, darunter vier Laubbaumarten: Cinnamomum camphora, Osmanthus fragrans, Magnolia grandiflora und Podocarpus Macrophyllus zwei Straucharten: Loropetalum chinense var. rubrum und Pittosporum tobira (Tabelle 2). Die von uns ausgewählten Pflanzen wurden weder als national und provinziell geschützte Wildpflanzen in China noch als bedrohte Arten auf der Roten Liste der IUCN aufgeführt. Daher waren für die Probenahme von Pflanzen zu Forschungszwecken gemäß den Vorschriften der Volksrepublik China zum Schutz wildlebender Pflanzen keine besonderen Genehmigungen oder Lizenzen erforderlich. Bei der Probenahme haben wir uns an die örtlichen Probenahmerichtlinien gehalten, um sicherzustellen, dass der sammelnden Person kein erheblicher Schaden zugefügt wird. Die Pflanzenblattproben wurden am 25. Dezember 2017 auf beiden Seiten der Hauptstraßen (Shaoshan Road und Furong Road) in der Stadt Changsha gesammelt (Abb. 5), als es zuvor mehr als sieben Tage lang keinen Niederschlag gab. Die Breite des Grüngürtels betrug etwa 3 m und die Pflanzen im Grüngürtel umfassten Lauben, Sträucher und Kräuter mit einheitlichen Lebensraumbedingungen. Um die durch Standort- und Entfernungsunterschiede verursachten Auswirkungen zu vermeiden, wurden die Proben innerhalb von 3 m von der Straße entfernt ausgewählt und alle Proben innerhalb eines Tages gesammelt. Die Probenahmehöhe betrug bei Lauben 2–6 m und bei Sträuchern 0,5–3 m. Für jede Art wurden zehn Bäume als Proben ausgewählt und die Blätter zufällig in vier verschiedenen Richtungen (Osten, Westen, Süden und Norden) an der oberen, mittleren und unteren Position der Baumkronen gesammelt. Die gesammelten Blätter müssen gesund und frei von Schädlingen und Krankheiten sein. Nach der Probenentnahme wurden die Proben sorgfältig in versiegelten Plastiktüten aufbewahrt und sofort für nachfolgende Experimente und Analysen in einen Kühlschrank bei 4 °C überführt. In der Zwischenzeit wurden der Durchmesser in Brusthöhe (DBH) und der Basaldurchmesser (BD) der Pflanzen mit einem Lineal für den Durchmesser in Brusthöhe gemessen, die Höhe jedes Baumes wurde mit einem Höhenmessgerät gemessen und die Breite der Kronen wurde mit gemessen ein Herrscher in zwei Richtungen: Nord-Süd und Ost-West.

Lage der Forschungsgebiete. †Software und Version: QGIS 3.32.0. URL:https://server.arcgisonline.com/arcgis/rest/services/World_Imagery/MapServer/tile/{z}/{y}/{x}.

Die Rückhaltung von Partikeln auf der Oberfläche von Pflanzenblättern wurde mithilfe der Wägemethode mit mikroporösen Membranen53 bestimmt. Die Anzahl der Testblätter wurde entsprechend der Blattgröße und -art bestimmt, um sicherzustellen, dass die experimentellen Blattproben ausreichend und randomisiert waren, und es waren drei Replikate jeder Pflanze erforderlich. Im Allgemeinen benötigten die größeren Blätter der Breitblattpflanze 30–50 Stück und die kleineren Blätter 150–300 Stück. Geben Sie die ausgewählten Pflanzenblattproben eine halbe Stunde lang in ein Becherglas mit entionisiertem Wasser und reinigen Sie dann sorgfältig alle PM auf den Blättern mit einer kleinen Bürste. Als nächstes kneifen Sie die Blätter mit einer spitzen Pinzette heraus (achten Sie darauf, die Blätter nicht zu beschädigen), spülen Sie sie dreimal mit einer angemessenen Menge entionisiertem Wasser ab und legen Sie sie dann zum Trocknen auf Zeitungspapier. Schließlich wurden die getrockneten Blätter mit einem Scanner (Epson-Scanner 11000G) gescannt, um die Blattprojektion zu erhalten und alle gescannten Blattbilder zu exportieren. Anschließend wurde die Image J-Software geöffnet, die Ränder der Blätter eingekreist und die Blattfläche berechnet Software. Um den Fehler zu reduzieren, musste die Fläche jedes Blattes dreimal berechnet und der Durchschnittswert ermittelt werden.

Die Lösung wurde durch die getrocknete und gewogene mikroporöse Membran mit einer Porengröße von 10 μm filtriert, und dann wurde das Filtrat durch die getrocknete und gewogene mikroporöse Membran mit einer Porengröße von 2,5 μm und 0,1 μm filtriert, um drei verschiedene Partikelgrößenniveaus von PM > 10 zu erhalten. PM10 und PM2,5 mit dem gleichen Verfahren wie oben. Vor und nach jeder Filtration wurde die mikroporöse Filtermembran in einen Ofen bei 60 °C31 gegeben, auf eine konstante Masse getrocknet (zwei Messungen ≤ 0,0002 g) und auf einer Waage mit einer Genauigkeit von einem Zehntausendstel gewogen.

Die PM-Retention der Pflanzenblätter wurde mit der Massendifferenzmethode bestimmt. Die Berechnungsmethode war wie folgt:

PM-Retention pro Blattflächeneinheit (g/m2):

In der Formel ist M die Partikelrückhaltung pro Blattflächeneinheit (g/m2); M1 ist die getrocknete Masse der Filtermembran vor der Filtration (g); M2 ist die Trockenmasse der Filtermembran und der Partikel nach der Filtration (g); S ist die Gesamtfläche der Testblattproben (m2).

Der Gehalt an toxischen Spurenelementen in PM der Pflanzenblattoberfläche wurde durch wässrigen Solubilisierungsaufschluss bestimmt. Ungefähr 0,2 g Filtermembranen wurden in einem Glasrohr mit einer HNO3- und HCl-Mischung (1:3 Vol./Vol.-Verhältnis) unter Verwendung eines Graphitheizofens (Polytech PT60, Polytech 3 Instrument, Peking, China) aufgeschlossen und die Mischung leicht gehalten Siedezustand für 2 Stunden. Anschließend wurde der Gehalt an toxischen Spurenelementen in der Aufschlusslösung mit dem optischen Emissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES, Optima 8300, USA) bestimmt. Die Nachweisgrenze dieses Instruments liegt bei 0,001–0,1 mg/l. Für die Qualitätskontrolle wurde der nationale Standard GSS-5 (Hunan-Boden) ausgewählt und die gemessenen Standardausbeuten lagen zwischen 85,1 und 114 %. In diesem Experiment wurden As, Al, Cu, Zn, Cd, Fe und Pb gemessen, die häufige toxische Spurenelemente in Feinstaub sind. Die Standardlösungen wurden aus den nationalen Standardproben von Einzelelement-Standardlösungen ausgewählt: As (GSB 04-1714-2004), Al (GSB 04-1713-2004), Cu (GSB 04-1725-2004), Zn (GSB 04-1761-2004), Cd (GSB 04-1721-2004), Fe (GSB 04-1726-2004) und Pb (GSB 04-1742-2004) mit einer Konzentration von 1000 μg/ml.

Eine einfaktorielle ANOVA wurde verwendet, um die Unterschiede in der PM-Retentionskapazität verschiedener Pflanzen zu vergleichen. Mithilfe einer Zwei-Wege-ANOVA wurden die zugrunde liegenden Faktoren für die Konzentration toxischer Spurenelemente in Partikeln ermittelt. Mithilfe der linearen Regression wurde der Zusammenhang zwischen den Konzentrationen toxischer Spurenelemente in Feinstaub und der Fähigkeit des Blattwerks, Feinstaub zurückzuhalten, untersucht. Mithilfe einer auf der Pearson-Methode basierenden Korrelationsanalyse wurde der Zusammenhang zwischen verschiedenen toxischen Spurenelementen untersucht. Zur Datenvisualisierung wurden GraphPad Prism 8 sowie die R-basierten Pakete „ggplot2“ und „GGally“ verwendet. Alle statistischen Analysen in unserer Arbeit wurden in R 4.1.1 (R-Core-Team, 2013) durchgeführt.

Alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit institutionellen, nationalen und internationalen Regeln und Gesetzen befolgt. Die von uns ausgewählten Pflanzen wurden weder als national und provinziell geschützte Wildpflanzen in China noch als bedrohte Arten auf der Roten Liste der IUCN aufgeführt. Daher waren für die Probenahme von Pflanzen zu Forschungszwecken gemäß den Vorschriften der Volksrepublik China zum Schutz wildlebender Pflanzen keine besonderen Genehmigungen oder Lizenzen erforderlich.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind nicht öffentlich verfügbar, da [die Daten möglicherweise in unserer nächsten Analyse verwendet werden], aber auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich sind.

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Die Autoren danken allen an dieser Studie beteiligten Teilnehmern und dafür, dass sie sich die Zeit genommen haben, an der Artikelerstellung mitzuwirken.

Diese Forschung wurde finanziert durch „The National Key R & D Program of China, Grant Number 2020YFA0608100“, „The Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China, Grant Number U21A20187“, „Key Research and Development Program of Hunan Province, Grant“. Nr. 2020NK2022“, „Sonderfinanzierung für innovatives Bauen in der Provinz Hunan, Zuschussnummer 2021ZK4226“, „Stiftung für wissenschaftliche Forschung der Bildungsabteilung der Provinz Hunan, Zuschussnummer 18B171“, „Hunan Forestry Science and Technology Plan Project, Zuschussnummer XLK201642“ und Programm der nationalen Schlüsseldisziplinen (Anbau) an der Central South University of Forestry and Technology.

Fakultät für Biowissenschaften und Technologie, Central South University of Forestry and Technology, Changsha, Hunan, China

Yazhen Chen, Yichen Xu, Xiaocui Liang, Wende Yan, Rui Zhang, Ying Yan und Shixin Qin

Nationales Ingenieurlabor für angewandte Technologie der Forstwirtschaft und Ökologie in Südchina, Changsha, Hunan, China

Yazhen Chen, Yichen Xu, Xiaocui Liang und Wende Yan

Schlüssellabor für Stadtwaldökologie der Provinz Hunan, Changsha, Hunan, China

Xiaocui Liang & Wende Yan

Lutou National Station für wissenschaftliche Beobachtung und Forschung des Waldökosystems in der Provinz Hunan, Yueyang, China

Xiaocui Liang & Wende Yan

Schlüssellabor für subtropische Waldökologie der Provinz Hunan, Changsha, Hunan, China

Xiaocui Liang & Wende Yan

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. XCL und WDY sind jeweils die Berater des YZC-Artikels und haben aktiv an der Gestaltung dieser Studie mitgewirkt. RZ, YY und SXQ trugen zur Felduntersuchung und Probenahme bei. YZC und YCX trugen zur Bestimmung des Experiments bei. Das Manuskript wurde von YZC, XCL verfasst. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Xiaocui Liang oder Wende Yan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chen, Y., Xu, Y., Liang, X. et al. Blattpartikelretention und Anreicherung toxischer Spurenelemente bei sechs Pflanzenarten am Straßenrand in einer subtropischen Stadt. Sci Rep 13, 12831 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39975-w

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Eingegangen: 13. März 2023

Angenommen: 02. August 2023

Veröffentlicht: 08. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39975-w

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