苔藓植物运用于大气重金属污染监测的研究进
摘要：分析了苔藓植物适用于大气重金属污染监测的特殊生理特征及其生理响应，总结了利用苔藓植物监测大气中重金属污染的优势，探讨了苔藓植物对重金属的吸收机制及其重金属富集途径，并综述了国内外采用的相关监测方法。最后，还指出了存在问题及发展方向。 关键词：苔藓植物；指示植物；生物监测；重金属污染 近年来，经济的快速发展和人类活动的加剧导致的环境问题越来越多，特别是重金属污染，也已成为人民群众和环保部门日益 本研究分析了苔藓植物适用于大气重金属污染监测的特殊生理特征及其生理响应，总结了利用苔藓植物监测大气中重金属污染的优势，探讨了苔藓植物对重金属的吸收机制及其重金属富集途径，并综述了国内外采用的相关监测方法，以期能为国内运用苔藓植物监测环境中重金属污染的研究提供借鉴。 １苔藓植物适用于大气中重金属监测的生理特征及生理响应 １．１生理特征 苔藓植物是一类结构简单的绿色植物，是从水生向陆生生活方式的过渡物种，是高等植物中最原始的陆生类群。它是隐花植物，在几乎所有的陆地系统都有分布，具有忍耐长期干旱能力，甚至可以在极端恶劣的条件下生长。它分布广泛，是生态系统演变的关键拓荒者之一。 目前，世界上已知的苔藓植物大约有１５０００种，它们分布在不同的生态系统中，生长在不同的基质上。由于其特有的生理特征，许多种类已经被广泛运用在环境监测中。苔藓植物的体表面积与其生物量比值较高，它具有很强的吸附、保留重金属的能力；其解剖构造亦很简单，只由单层或少数几层细胞构成，体表无蜡质的角质层覆盖，暴露于污染大气时，污染物可从背腹两面侵入叶细胞之中；植物体中无维管束构造，亦没有真正的根，只在植物体的末端生出单列细胞的假根，因此与土壤等基质的相关性较小，能直接在其体表进行气、水、营养物质的交换吸收。有研究表明，苔藓植物对重金属等污染因子的敏感性是种子植物的１０倍。 苔藓植物的这些特殊结构导致了其植物体抗性弱，对环境变化敏感等，非常有利于大气中的重金属污染物在其体内富集，从而达到指示和监测大气中重金属污染程度的目的。此外，苔藓植物由于分化程度低，植物细胞长势相对旺盛，常在茎、枝先端生长点休眠或死亡之后，又会刺激茎、枝下部分分生组织的发育，迅速发展出新的枝条，以保持终年的常绿，因此可提供全年性的指示与预报信息。 １．２生理响应 当苔藓植物受到重金属污染伤害时，叶片的反应最为明显，叶片对重金属污染的反应通常有以下几种情况：（１）叶片出现明显的黑斑或褐化现象；（２）叶片下表面产生特殊的银灰色光泽；（３）植物体内叶绿素遭破坏，导致叶片的褐化或白化；（４）叶片因叶细胞的破坏或崩溃，出现严重的黄萎症状；（５）长期污染下，叶片机能会发生严重衰退，甚至植株会消失。其中，最常见的叶片反应是叶绿素降解。ＳＴＯＢＡＲＴ等认为，叶绿素降解是由于进入植物体的重金属污染物抑制并影响了对叶绿素合成非常重要的原叶绿素酸酯还原酶和氨基γ酮戊酸的合成和活性。通常情况下，暴露最多的顶端叶片首先受到损害而失去叶绿素，随之是全部叶片以至芽条部分的叶绿素降解而失活。在北欧，有人用林地常见的苔藓植物来监测重金属的沉积，结果表明，７枚分枝中只有最幼嫩的２枝呈绿色，其余的均呈褐色。魏海英等的研究表明，Ｐｂ、Ｃｄ胁迫下大羽藓体细胞超微结构遭到破坏，如叶绿体外膜破裂、不连续甚至完全消失，类囊体片层膨胀；高浓度处理时，叶绿体完全解体、线粒体外膜断裂或消失、细胞核被膜破坏、染色质凝聚、核质解体等。 此外，研究发现重金属对苔藓植物的毒害作用还表现在一些其他方面。例如，ＳＨＡＷ等发现，重金属污染会引起角齿藓的叶片变小、变薄，并使之生长速率降低，阻碍精子器和颈卵器的形成。ＭＥＥＮＫＳ等指出，重金属的介入还会引起苔藓植物体内糖类物质的明显变化。总体来说，目前关于重金属污染对于苔藓植物体细胞超微结构及发育造成影响的研究还较少。 ２苔藓植物监测大气中重金属污染的优势 与常规监测方法及其他生物监测方法相比，用苔藓植物监测大气中重金属污染具有很多优点：（１）苔藓植物种类繁多，取材方便；（２）采样相对简单，不需要昂贵的设备；（３）苔藓植物对重金属污染物的富集能力极强，使得痕量元素的监测分析更为容易，灵敏度高；（４）植物体内的重金属污染物浓度可显示其污染强度，从而可确定污染源位置和扩散规律；（５）苔藓植物体内或体表的重金属量，可采用物理或化学方法得到定量分析结果，准确性强；（６）可连续测定阶段性的重金属污染物程度；（７）能同时监测几种重金属污染物；（８）通过监测的结果，可得到更具体化的重金属污染物对生态环境的影响。 ３苔藓植物吸收重金属污染物的机制及其重金属富集途径 ３．１吸收机制 苔藓植物的体表无角质层，体内无输导组织，暴露于重金属污染物时，叶表面会直接吸收污染物而无过滤作用。苔藓植物对重金属污染物的吸收机制有２种：离子交换和微粒捕获。 在苔藓植物体上存在一些离子交换位点，可以吸附金属离子并释放氢离子。如在泥炭藓细胞壁合成过程中，就可以形成以糖醛酸为基础的离子交换位点，泥炭藓中的糖醛酸量可达其干质量的２０％～３０％，糖醛酸结合金属离子的能力可达到９００～１５００μｍｏｌ／ｇ，相当于人工合成的离子交换树脂的１／１０～１／３。苔藓植物对金属离子的吸附作用包括胞外交换吸附和胞内吸收２种形式。其中，胞外交换吸附是一个快速、主动的物理化学过程，不受苔藓植物生理活动的影响。将苔藓植物放在金属离子溶液中，不需要提供能量，在数分钟内便会进行离子交换（金属离子被吸收和氢离子被释放），这个过程可表达为： 式中：Ｍ２＋为进入苔藓细胞的金属离子；Ａ－为阴离子功能团。 相反，胞内吸收则是一个缓慢的过程，吸附量随时间的增加而增多。苔藓植物对金属离子的吸附速率还受温度及苔藓植物种类的影响。但在一般情况下，苔藓植物并不将金属离子直接吸收到细胞中，而是以离子交换或以微粒捕获的方式将它们累积在细胞表面。用电子显微镜常常可观察到苔藓植物的配子体表面很粗糙或具有许多细小的绒毛，它们都是由被吸附在其表面的金属微粒堆积而成的。 ３．２富集途径 ３．２．１大气沉降 有研究指出，苔藓植物中的重金属来自当地污染源、自然界元素循环过程、远距离大气传输、高等植物组织通过土壤吸收，以及由扬尘和其他植物残体而带来的矿物质颗粒物的富集等。而苔藓植物特殊的生理结构决定了其营养来源主要为大气。 苔藓植物体内的重金属含量与重金属的环境浓度及大气中重金属的沉降速率之间存在显著的相关性。ＰＯＩＫＯＬＡＩＮＥＮ等利用苔藓植物监测了芬兰的大气重金属沉降状况，并根据１９８５—２０００年的监测结果进行了比较，结果表明，工业和交通发达的南部地区的苔藓植物中重金属含量较高，其他地区的苔藓植物中重金属含量较低。可见，苔藓植物中重金属的含量变化与大气中重金属的污染变化较为一致，苔藓植物能很好反映大气重金属污染程度。ＲＩＥＬＥＹ等对威尔士北部森林中苔藓植物的生态功能进行了研究，指出雨水中所含的大气重金属和树木中重金属的淋溶（高等植物组织通过土壤吸收重金属后又通过淋溶渗入苔藓植物体内）是苔藓植物中重金属的主要来源。在国内，曹同等６３６测定了鞍山市内和市郊５个采样点苔藓植物体内Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄ等重金属的含量，结果表明，苔藓植物体内这些重金属的含量与大气污染程度具有很好的一致性；安丽等应用原子吸收法对上海市１３个采样点的小羽藓植物体及相应土壤样品中的Ｃｕ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃｒ含量进行了测定，并通过聚类分析将１３个采样点按照重金属污染程度的轻重进行了分组，结果表明，小羽藓能很好地指示大气中重金属的污染状况。 ３．２．２生长基质 苔藓植物体内的重金属含量是否与其生长基质有关一直是个颇具争议的问题。目前，关于苔藓植物对生长基质中重金属的吸收和同化作用研究也常被忽略。祝栋林等的研究表明，苔藓植物体内的Ｐｂ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｃｄ富集率和土壤中相关重金属浓度的变化并没有明显一致规律。但也有研究表明，苔藓植物对于生长基质中的重金属具有一定的吸收和同化作用，而生长基质对于苔藓植物监测的敏感性和富集污染物的能力也存在一定影响。黄朝表等的研究发现，浙江金华的土壤环境背景值差异造成不同样地苔藓植物体内重金属的含量差异极大，认为苔藓植物的重金属富集能力受土壤基质的影响较明显。ＦＥＲＮAＤＥＺ等指出，苔藓植物组织中的Ｃｄ含量受其基质土壤的影响较大。ＢＥＲＧ等对树附生苔藓植物体内的重金属含量进行了测定分析，发现Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｃｓ、Ｂａ等是由附生的维管植物从土壤中吸附之后再转移至苔藓体内。为了更好描述究竟是大气还是土壤等生长基质对苔藓植物体内重金属的贡献更大，ＰＵＸＢＡＵＭ提出了富集指数（EF）。 式中：Xｍｏｓｓ为苔藓植物体内待测重金属X的质量浓度；Yｍｏｓｓ为藓植物体内参照元素Ａｌ的质量浓度；Xｓｏｉｌ为生长基质中待测重金属X的质量浓度；Yｓｏｉｌ为生长基质中参照元素Ａｌ的质量浓度。变量单位根据实际计算确定。 理论上说，EF＝１，表明苔藓植物体内没有富集重金属；EF＞１，证明待测重金属X在一定程度上受土壤中重金属浓度的影响；一般来说，当EF＞３时，表示苔藓植物中待测重金属X的富集来自除土壤外的其他污染源。 ４适用于大气中重金属污染监测的苔藓植物种类及其监测方法 ４．１适用于监测的苔藓植物种类 苔藓植物分布广泛，种类繁多，但不同种类对大气中重金属污染物的富集能力不同。选择种类时主要考虑两方面：一是要较为常见的物种；二是要相对较大的个体，以保证分析要求。目前，国内外研究中常用作大气中重金属污染监测指示的苔藓植物种类有白齿泥炭藓、赤茎藓、泽藓、桧叶金发藓、匍匐猫尾藓、密叶绢藓和长叶鳞叶藓等。 我国地域辽阔，苔藓植物种类丰富，地区性差别明显。在应用其进行大气中重金属污染监测时，建议南方地区可以选择锦藓、网藓、高领藓和细鳞苔等；长江流域一带可以选择多枝藓、钟帽藓、蓑藓和灰藓等；北方地区可选择碎米藓、羽平藓、绢藓、棉藓、薄罗藓和青藓等。 ４．２监测方法 ４．２．１化学分析法 通过对地面苔藓植物的化学分析进行环境监测的方法最初在瑞典开始采用。１９６９年，ＲUＨＬＩＮＧ等３２１率先利用一种林地常见的苔藓植物来监测斯堪的纳维亚半岛的大气重金属沉降，并通过对苔藓植物体内的重金属分析，绘制了反映芬兰、挪威、瑞典等国家大气沉降中的Ｃｕ、Ｈｇ、Ｆｅ、Ｃｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｚｎ等污染状况的分布图。该方法后来被欧美等许多地区或国家采用，现已发展为成套技术，国内近年来也有这方面的少量研究。ＴＹＬＥＲ也曾对苔藓植物吸收、富集重金属的机制，重金属对苔藓植物的毒害作用及苔藓植物的忍耐性，以及如何利用苔藓植物作为指示生物监测环境中重金属污染等方面进行了详细的综述。 目前，相关研究中常用的化学分析法除经典的原子吸收光谱火焰法外，还有电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法、质子激发荧光法、超热中子活化法、原子荧光法及仪器中子活化法等。 ４．２．２移植比照法 移植比照法是指从非污染区的树干上，将附生的苔藓植物连同其树皮一并切割下来，并照相保存，作为日后的比照依据；然后沿测试区污染源的周围，把苔藓类植物及其基质移植并固定于各样区中；经过一段时间后，拍下各样区的树皮照相，并与作比照依据的照片相比较，以了解每一片树皮上苔藓植物的受害情况，判定污染源邻近各地区遭受大气重金属污染的程度。此外，可取受害苔藓植物进行化学分析与解剖观察，分析其叶绿素含量及体内重金属含量，观察细胞质壁分离状况等，用以确认各种苔藓植物对大气重金属污染的耐受性与敏感性，并对大气受重金属污染的程度作出评价。 ４．２．３生态调查法 生态调查法在测定某一广大地区的大气重金属污染情况时最为常用。它主要是以附生的苔藓植物与大气污染之间存在的相关关系为基础，从而通过监测苔藓植物来明确某一地区的大气重金属污染分布状况。生态调查法主要的工作有两方面：一是针对附生的苔藓植物在研究区域进行生态调查；二是绘制大气重金属污染的分布图。生态调查的内容包括苔藓植物种类、覆盖度、频度及生长状况，所附生的树木种类与生长状况，以及观测点的位置；每样区至少调查１０～１５棵树。根据所得的调查资料，得知每一种附生苔藓植物的覆盖度级数，并计算平均百分率。再综合所有样区的调查资料，就可明确某一地区附生的苔藓植物的分布状况。一般来说，苔藓植物种类多样、覆盖度大的区域，大气重金属污染程度低；越接近污染源，苔藓植物的种类越少，甚至消失。根据上述的调查资料和分析结果，可将整个研究区划分成几个不同程度的污染带，如完全无苔藓植物附生生长的附生植物沙漠区、只有抗性较强的苔藓植物附生生长的附生植物挣扎区、大多数附生苔藓植物都可生长的轻微污染区，以及所有附生苔藓植物都可以生长并繁殖的清洁区等；并以此制研究区域的大气重金属污染分布图，以明确研究区域的大气重金属污染源及污染分布状况。如果能在各样区中同时配合温度、风向以及其他大气污染物的测定，则可以得到更精确的污染分布图。 ４．２．４大气净度指数法 这是以苔藓植物对大气污染的敏感性为基础而设计的一种计算大气纯净度（IAP）的方法，计算公式为： 式中：i为苔藓植物种类；n为某样区内所有附生的苔藓植物种类数；Qi为某样区内附生的苔藓植物i的生态指数；S为除苔藓植物i外的附生的其他所有苔藓植物总数；Ti为附生苔藓植物i的样区数；fi为某样区内附生苔藓植物i的覆盖度与出现频率的主观估计值。 fi通常采用５级，其分级方法见表１。 根据大气净度指数可分析大气的污染程度，再据此进行污染分级，将污染区分为严重污染区、污染区、基本纯净区，并绘制大气污染分布图。该方法的缺点是并不能直接指示污染源种类和污染物浓度。 大气净度指数法作为一种经典的生态学方法，在监测大气重金属污染中具有积极的运用价值。曹同等采用野外生态学调查和实验分析相结合的方法，对鞍山市内和市郊所选的５个采样点内的苔藓植物种类、分布及各采样点大气净度指数，以及苔藓植物体内Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄ等重金属含量与大气环境的关系进行了综合研究和分析。结果表明，严重污染区的苔藓植物种类少于５种，IAP＜５；污染区的苔藓植物种类在１５～３０种，IAP为５～２５；相对清洁区的苔藓植物种类多于４０种，IAP＞３０。谢维等根据苔藓植物种类分布和大气净度指数，将抚顺地区按大气重金属污染程度分为４个区，分区情况与该市的工业布局、能源结构和大气环境监测结果较为一致。其中，重污染区（工业中心区）的苔藓植物种类少于４种，IAP＜４，无树附生的种类；污染区（居民区和市中心过渡带）的苔藓植物种类少于１０种，IAP＜１５，无树附生的种类；相对清洁区（市郊、县郊等地）的苔藓植物种类少于２０种，IAP＜２６，出现附生的种类；清洁区（农村）的苔藓植物种类多于２０种，IAP＞２６，树附生种类增多，生物量大，可见大气环境质量较好。 ４．２．５苔袋法 苔袋法是以苔藓植物为材料，利用其对大气中金属污染物的高度吸收与累积能力来监测与分析大气重金属污染状况的方法。操作步骤：先将苔藓植物以１％（质量分数）硝酸液清洗干净并去除杂质，再利用去离子水冲洗掉残余的酸液；风干后，取定量的苔藓植物置入由尼龙网或多氨基化合物做成的圆球状苔袋；分别把这些苔袋悬挂于研究区内各个采样区；每月取回一袋，分析其重金属含量。苔袋法的使用起源于２０世纪７０年代的英国，当时主要用于气传重金属的监测，到２０世纪８０年代苔袋法为世界各国所采用。ＧＯＯＤＭＡＮ等以灰藓为苔袋材料，测定了威尔士西南某工业区Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｎｉ的含量。ＬＩＴＴＬＥ等、ＣＡＭＥＲＯＮ等测定了不列颠某铅锌冶炼厂周边大气中Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｄ浓度。 此外，采用苔袋法监测大气中重金属污染，还可以反映出污染物沉积的相对速率、污染程度及范围。由于苔藓种类多、分布广，使得该方法具有推广简便、经济、测定选点灵活、适用于全年监测等优点。 我国关于苔藓植物监测大气重金属污染的研究起步较晚，监测技术也相对滞后，直至２０世纪８０年代相关的研究工作才开展起来。目前，我国关于苔藓植物监测大气重金属的研究实例不多，方法上多采用传统的生态调查法。 ５展望 综上可见，采用苔藓植物监测大气重金属污染具有广泛的应用前景。近年来，国外利用苔藓植物监测重金属污染的方法已经得到了长足的发展，为我国进一步开发合适的监测技术提供了大量的资料。但目前国内外关于苔藓植物监测大气重金属污染的研究深度和广度均显不足。首先，从采用的苔藓植物种类来看，主要以常见的苔藓植物的生态变化和重金属含量分析为基础进行监测，不能有效判断大气中重金属的具体来源与沉积过程；同时，苔藓植物吸收大气中重金属的具体机制尚未明确，监测数据的分析仍处在定性描述向定量评价的过渡阶段，国内外均尚未形成合理的量化标准和标准模型。其次，存在监测技术不够健全、监测方法不灵敏、监测地点不全面等缺陷。此外，对于城市大气重金属污染状况的认识深度还不够，大气中重金属累积的动态过程，重金属的空间分布格局，污染源、不同地点之间是否存在大范围的重金属迁移，种种疑问尚无法通过监测清晰解释。 因此，今后要进一步采用生理生态学、生物化学、分子生态学、生物地理学等方法，注重学科交叉，从而更深入研究苔藓植物对大气重金属污染的指示作用。同时，应加强先进分析技术及计算机程序的应用，通过对苔藓植物体内多种重金属含量的分析，利用计算机程序模拟出全面、直观的污染分布图以便于分析，这也将是未来应用苔藓植物监测大气重金属污染的发展方向之一。 来源《环境污染与防治》
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