Avaliar as habilidades de remoção de partículas de árvore folhas

Resumo

O método de limpeza ultra-sônica aplicou-se para eluir a matéria particulada (MP) retida nas superfícies da folha depois de PM foi eluída pelos métodos convencionais de limpeza (limpeza somente de água ou água de limpeza mais escova de limpeza). A metodologia pode ajudar a melhorar a precisão da estimativa para a capacidade de retenção de PM de folhas.

Resumo

Baseia-se os métodos convencionais de limpeza (água de limpeza (WC) + escova de limpeza (BC)), este estudo avaliou a influência da limpeza ultra-sônica (UC) na coleta de vários tamanho partículas (PM) retidas nas superfícies da folha. Nós caracteriza-se ainda mais a eficiência de retenção de folhas de vários tamanhos PM, que ajudarão a avaliar as habilidades de árvores urbanas para remover o PM do ar ambiente, quantitativamente.

Tomar três espécies de árvores de folhas largas (Ginkgo biloba, Sophora japonica e o Salix babylonica) e dois needleleaf espécies de árvores (Pinus tabuliformis e Sabina chinensis) como os objetos de pesquisa, as amostras de folhas foram coletados (curto período de retenção de PM) de 4 dias e 14 dias (longo período de retenção de PM) após as chuvas mais recentes. PM retido nas superfícies da folha foi coletado por meio de WC, BC e UC em sequência. Em seguida, as eficiências de retenção de folhas (AE_folha) para três tipos de vários PM porte, incluindo PM facilmente removível (ERP), difícil de remover (DRP) e totalmente removível (TRP), foram calculadas. Apenas cerca de 23% - 45% do total PM retido em folhas pode ser limpos e coletados pelo WC. Quando as folhas foram limpas através de WC + BC, a subestimação da capacidade de retenção de espécies arbóreas diferentes PM estava na faixa de 29% - 46% para vários tamanhos PM. quase todos os PM retida nas folhas pode ser removido se UC foi completada para WC + BC.

Em conclusão, se a UC foi complementada após os métodos convencionais de limpeza, mais PM nas superfícies da folha pode ser eluída e coletado. O procedimento desenvolvido neste estudo pode ser usado para avaliar a capacidade de remoção de PM de espécies de árvores diferentes.

Introdução

As habilidades de espécies arbóreas diferentes para remover o PM do ar ambiente podem ser avaliadas por meio de quantificar a massa de PM retido nas superfícies da folha. Para alcançar este objetivo, o método de subtração^1,2, a membrana filtro método^3,4,5e o método de eluição-pesagem juntamente com a análise de tamanho de partícula⁶ foram aplicado para estimar quantitativamente a massa de PM_2.5 (diâmetro ≤ 2,5 µm), PM₁₀ (diâmetro ≤ 10 µm) ou total de partículas suspensas (TSP) retida nas folhas. No entanto, a precisão desses métodos depende basicamente seu desempenho na coleta PM retido nas superfícies da folha. Atualmente, a folha convencional método usado frequentemente em estudos relacionados de limpeza inclui uma ou duas etapas, ou seja apenas água de lavagem (embeber e enxágue folhas usando água desionizada)^3,7 ou mais escovação^{5, 8 , 9}. no entanto, alguns estudos^10,11 demonstraram que PM em superfícies da folha não poderia ser totalmente eluída pelo método convencional de limpeza. Como limpeza ultra-sônica tem as vantagens da alta velocidade, alta qualidade e pouco dano à superfície do objeto, que tem grande potencial para ser usado para coletar o PM retido nas superfícies da folha com microestruturas complexas. Actualmente, a limpeza ultra-sônica foi aplicada em alguns estudos para coletar PM retido nas superfícies da folha (ou seja, colocar as folhas em água desionizada e usar o líquido de limpeza ultra-sônico para eluir PM)^12,13. No entanto, este método só é usado como um suplemento para uma folha de limpeza método, enquanto não se sabe se a limpeza ultra-sônica tem um efeito positivo na coleta de PM de superfícies da folha e seus parâmetros de funcionamento ideais também não são claros. Nossa pesquisa anterior mostrou que a PM retido na superfície da folha de Ginkgo biloba pode ser completamente eluída sem destruir as superfícies da folha, se um procedimento correto de limpeza ultra-sônica foi complementado para o método convencional de limpeza¹¹ . No entanto, a estabilidade e a aplicabilidade geral das operações de limpeza ultra-sônico parâmetros (poder ultra-sônico, tempo e outras informações) para diferentes espécies de plantas experimentando períodos de retenção de poeira diferentes são ainda não está claros.

Atualmente, a massa de PM_2.5, PM₁₀ou TSP na área foliar de unidade muitas vezes tem sido utilizada para avaliar as habilidades das espécies arbóreas diferentes para remover PM ar ambiente^14,15. Sob a condição natural, o PM retido nas superfícies da folha pode ser classificado em duas partes: a primeira parte é o PM que pode cair folhas devido aos efeitos de vento e chuva, enquanto a outra parte é o PM que está firmemente aderido para folha de superfícies e não pode ser ea esquesito lavado pela chuva. No entanto, poucos estudos têm incidido sobre a massa de ambos os tipos de PM em superfícies da folha. Além disso, os períodos de retenção de PM de folhas em diferentes estudos diferem enormemente. Assim, a comparabilidade dos resultados destes estudos será pobre, se a massa do PM retido na área foliar de unidade é adotada para avaliar as habilidades de remoção de PM de árvores¹⁶. Consequentemente, a eficiência de retenção PM (a massa de PM retido na área foliar de unidade por unidade de tempo), como uma alternativa, foi proposto para avaliar os efeitos de purificação de PM de árvores urbanas^5,17. Em geral, ainda há uma falta de pesquisa neste aspecto. É extremamente necessário efectuar estudos relevantes para espécies de árvores diferentes fornecer dados e metodológica basic suportam para avaliar as habilidades de remoção de PM de espécies arbóreas diferentes com precisão.

Aqui, três espécies de árvores de folhas largas (g. biloba, Sophora japonicae Salix babylonica) e duas espécies de árvore needleleaf (Pinus tabuliformis e Sabina chinensis) foram selecionadas para avaliar a sua remoção da PM habilidades em dois períodos de retenção de PM. O local de amostragem de folha foi no parque de Xitucheng (39,97 ° N, 116,36 ° E), localizado em uma área com forte poluição em Pequim. Os três objectivos específicos deste estudo foram: (1) para avaliar a eficiência de diferentes folhas de limpeza métodos (água de limpeza (WC), escova de limpeza (BC) e limpeza ultra-sônica (UC)) na eluição da PM em folhas, (2) para verificar o efeito de limpeza ultra-sônica em PM, de eluição e (3) para avaliar a eficiência de retenção de espécies de árvores diferentes para PM₁, PM_2.5, PM₅, PM₁₀e TSP.

Protocolo

1. folha de coleta, eluição e medição de massa PM

1. Selecione cinco árvores saudáveis individuais (ou seja, cinco repetições) de cada espécie de árvore com diâmetro semelhante à altura do peito. Coletar quatro ramos maiores aleatoriamente de quatro direções do dossel exterior na camada média do dossel e cortar todas as folhas intactas.
   Nota: Todas as plantas para amostragem de folha devem estar localizadas perto em uma tira de ecologização com comprimento e largura de cerca 60 e 250 m, respectivamente, para garantir que as condições de ambiente (vento, luz e chuva) destas árvores são semelhantes. As folhas usadas no protocolo foram coletadas no dia 15 de outubro (período de retenção (SDR) de poeira curto) e 25 de outubro (longo período de retenção (LDR) pó) em 2014, que eram 4 e 14 dias após a última precipitação (> 15 mm), respectivamente. Os níveis médios de PM sob a curto e longo poeira período de retenção (ou seja, a duração entre o último índice pluviométrico e o tempo de amostragem de folha) em nosso experimento foram 26 (PM_2.5), 57 (PM₁₀) e 111 (PM_2.5), 160 µ g/m³ (PM₁₀), respectivamente.
   1. Coloque as folhas amostradas em sacos etiquetados válvula e transportar os sacos para o laboratório imediatamente. Armazene as amostras de folha na geladeira.
2. Lave e seque os copos no forno 80 ° C. Equilibrar os copos à temperatura e umidade e pesar o béquer vazio (W-₁).
3. Aleatoriamente, selecione uma certa quantidade de folhas de amostras de folha e coloque as folhas em um copo de 1000 mL (copo A).
   Nota: A área foliar é sobre 2000 cm², que pode garantir que todas as folhas podem ser completamente imerso na água e a poeira eluted tem peso suficiente para pesar com precisão.
4. Adicionem o béquer A 270 mL de água desionizada e mergulhe as folhas na água completamente.
   1. Misture a água por 60 s com uma vareta de vidro em uma direção (frequência: 2 segundos para um turno). Depois, despeje o eluente três copos pequenos de 100 mL (copo um) uniformemente.
   2. Lave as folhas usando uma garrafa com ponta fina com 30 mL de água desionizada e transferir as folhas lavadas para uma proveta de 1000 mL (copo B). Despeje o eluente três copo pequeno de 100 mL (copo um) uniformemente.
5. Adicionar 270 mL de água desionizada ao béquer B e mergulhe as folhas na água novamente. Em seguida, use uma escova de nylon para limpar a superfície da folha (colocação na placa plana fina de plástico) com água desionizada e evitar destruir a microestrutura da superfície foliar. Despeje o eluente em três pequenos copos de vidro 100 mL (copo b).
   1. Lave as folhas usando a garrafa squeezable com ponta fina com 30 mL de água desionizada e transferir as folhas para um copo de 1000 mL (copo C). Despeje o eluente três copo pequeno de 100 mL (copo b).
6. Adicionar 270 mL de água desionizada ao copo C e mergulhe as folhas na água novamente.
   1. Colocar o recipiente de vidro dentro da máquina de limpeza ultra-sônico. Usando um poder ultra-sônico de 500 W, limpo por 3 min e 10 min para as folhas das espécies arbóreas broadleaf e needleleaf, respectivamente. Agitar as folhas com uma vareta de vidro em uma direção (frequência: 2 segundos por um círculo) simultaneamente.
   2. Lave as folhas usando a garrafa squeezable com ponta fina com 30 mL de água desionizada e despeje o eluente em três pequenos copos de vidro 100 mL (copo c).
7. Cobrir um pedaço de papel de filtro limpo (diâmetro = 11 cm, área = 94,99 cm²) em cada copo (a, b, c) e secar os copos no forno 80 ° C durante cerca de 5 dias, até que a massa do béquer torna-se constante.
   1. Coloque os copos em uma câmara de equilíbrio para equilibrar a temperatura e umidade por 30 min e pesar a massa de cada béquer de 100 mL (W-₂). Calcule a massa do PM eluída a cada passo de limpeza por W₂-W₁.

2. medição da distribuição de tamanho de PM e área foliar

1. Adicionar 50 mL de água desionizada para cada copo de pesada (a, b, c) acima mencionado e coloque estes copos em uma máquina de limpeza ultra-sônico por 30 min até o PM dispersa em água desionizada.
2. Adicionar o sobrenadante no copo (a, b, c) para o instrumento de granularidade de laser e medir a distribuição de tamanho de PM eluída por diferentes etapas de limpeza.
   1. Assumir as percentagens de volume medido para ser percentagens em massa (Q) de partículas de diferentes tamanhos. Calcule a proporção de partículas de diferentes tamanhos eluída a cada passo de limpeza pela equação (1):
      (1)
      onde P,_{i, j} representa a proporção em massa (%) das partículas dentro da classe de diâmetro j eluída das superfícies da folha por etapa a limpeza eu; W representa a massa total (g) de todas as partículas de tamanhos eluída por etapa a limpeza eu; Q_{i, j} representa a percentagem em massa (%) das partículas dentro da classe de diâmetro j na massa total PM eluída por etapa a limpeza eu; i é a etapa de limpeza (i.e., WC, BC e UC); j é a classe de diâmetro, que foi definida para d ≤ 1 µm (PM₁), 1 < d ≤ 2,5 µm (PM_1-2,5), 2.5 < d ≤ 5 µm (PM_2.5-5), 5 < d ≤ 10 µm (PM_5-10), d > 10 µm (PM_{> 10}) no presente estudo.
3. Propagação folhas no plástico da placa e digitalizar as folhas com um scanner de alta qualidade. Use o software de análise automática de imagens para estimar a área de superfície e área projetada de folhas.
   Nota: O protocolo pode ser pausado aqui.

3. análise e apresentação de dados

1. Calcular o total removível partículas em suspensão (TRP) como a soma do ERP e do DRP, o que pode ser eluída por WC + BC + UC.
2. Em períodos de retenção de poeira diferentes, calcule a massa total da PM dentro de uma classe de specificdiameter retida nas folhas, como a soma da massa da PM dentro da classe de diâmetro correspondente eluída pelas diferentes etapas de limpeza (i.e., WC, BC e UC).
   1. Usando esses dados e os dados de área de folha, calcule a eficiência de retenção (AE_folha) das partículas de vários tamanhos na superfície de folha unitária através da equação (2):
      (2)
      LZ_j e SZ_j Cadê a massa (g) das partículas dentro da classe de diâmetro j retidos na área foliar de unidade sob os períodos de LDR e SDR, respectivamente; LT e ST são os números de dias nos períodos de LDR e SDR, respectivamente.
3. Realizar todas as análises estatísticas com o software SPSS.
   1. Use o teste de Kolmogorov-Smirnov e o teste de Levene para verificar as hipóteses de ANOVA de normalidade e a homogeneidade das variâncias, respectivamente, para as percentagens de eluição de partículas de tamanhos diferentes e os dados de capacidade de retenção de PM.
   2. Aplique One-Way ANOVA para investigar os efeitos das diferentes etapas limpeza sobre as percentagens de eluição das partículas de tamanhos diferentes em diferentes períodos de retenção de poeira. Use o teste de Duncan (P = 0,05) para detectar as diferenças significativas entre as diferentes etapas de limpeza.

Resultados

O PM retido nas superfícies da folha tinha dois tipos em condições naturais. O PM cai facilmente por chuva e vento em condições naturais é definido como a matéria particulada facilmente removível (ERP). Este tipo de PM foi representado pelo PM eluída por WC neste estudo. O PM que adere firmemente para folha de superfícies e não pode ser facilmente lavado pelo BC e UC é definido como o difícil de remover partículas em suspensão (DRP). Este tipo de PM não pode ser eluído po...

Discussão

Coleção exata e adequada da PM retido nas superfícies da folha é a base para avaliar as habilidades de remoção de PM de espécies de árvores diferentes. No entanto, o método convencional de limpeza (WC ou mais BC) não pode remover completamente o pó em superfícies da folha, que foi confirmado pela verificação de microscopia eletrônica¹⁰. Isto foi demonstrado mais claramente no presente estudo (Figura 1, Figura 2, 

Materiais

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