8700 LDIR紅外成像研究成果分享 | 吸附在樹葉上的微塑料自動定性定量測試以及對葉際細(xì)菌群落的影響
近日,北京大學(xué)黃藝教授課題組在“Journal of Hazardous Materials”上發(fā)表了題為“Microplastics in the atmosphere: Adsorb on leaves and their effects on the phyllosphere bacterial community”的研究論文,由徐力波博士研究生作為第一作者完成。
全球范圍內(nèi)塑料的生產(chǎn)和使用導(dǎo)致水、土壤和大氣中存在大量微塑料(MPs,直徑 5 毫米的塑料碎片),從而造成各種環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險。最近,大氣中 MPs 的問題受到了廣泛關(guān)注,研究報告了它們在世界各地的存在,甚至在高海拔山區(qū)和極地地區(qū)。大氣 MPs 的廣泛分布受到全球塑料循環(huán)大氣階段風(fēng)輸送的強(qiáng)烈影響。然而,大多數(shù)大氣 MPs 的命運(yùn)是在風(fēng)運(yùn)輸過程中沉積在大氣和其他環(huán)境組分之間的界面上或被攔截。作為大氣環(huán)境和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間最廣泛的邊界,葉際被認(rèn)為是大氣 MPs 的重要匯,估計總面積超過 109 km2。葉際包括植物的所有空中成分,通常用來指葉表面的微環(huán)境,因為在植物的空中成分中,葉表面面積最大,對大氣顆粒物(PM,包括 MPs)的捕獲率最高。據(jù) Huang et al. 估算,城市森林冠層對大氣 MPs 的攔截率約為 16.3%,即每年 1259 items m−2 或 347.69 kg 的 MPs。Liu 等人發(fā)現(xiàn),無論何種植物,葉子都可以不加選擇地保留大氣中的 MPs,并估計在葉面積排名前 11 位的綠色國家中,大約有 0.13 萬億個 MPs 附著在葉子上。最近的另一項調(diào)查顯示,洛杉磯的葉片上 MPs 濃度為 0.14-25.0 MPs items cm-2,與之前的研究相比,這是一個出乎意料的高豐度結(jié)果。
盡管之前的研究報告了幾個大城市葉片上 MPs 的豐度,但這些研究依賴于視覺識別方法,可能低估了 MPs 的實際數(shù)量。隨著當(dāng)前技術(shù)的進(jìn)步, LDIR 自動化和高通量檢測方法已被廣泛用于環(huán)境 MPs 檢測,并被認(rèn)為是一種可靠的方法。此外,該方法同時提供了 MPs 的化合物組成、大小和形態(tài)參數(shù)的信息,從而可以全面評估大氣 MPs 在葉片上的分布特征。這一點(diǎn)尤其重要,因為針對土壤和水生環(huán)境的研究表明,MPs 的基質(zhì)特性會對微生物群落產(chǎn)生不同的影響。
結(jié)果表明,基于自動定量和可識別的方法,北京地區(qū)大氣 MPs 在葉片上吸附的豐度為 3.62±1.29 items cm−2,高于傳統(tǒng)目測方法的豐度。這些 MPs 的直徑主要小于 80 μm,主要由 PA、PE 和橡膠組成。最常見的形狀是碎片,而直徑大于 100 μm 的 MPs 中以纖維為主。吸附在葉片上的 MPs 可能會影響葉際細(xì)菌群落,吸附污染物和 MPs 浸出添加劑的生態(tài)毒性可能是葉際細(xì)菌群落的環(huán)境和遺傳信息處理相關(guān)功能與 MPs 豐度呈顯著負(fù)相關(guān)的原因。生物氣溶膠的吸收和塑料球的形成可以解釋葉際細(xì)菌群落的 α 多樣性和人體健康相關(guān)功能與 MPs 豐度和大小呈正相關(guān)關(guān)系,而葉際細(xì)菌群落的β多樣性與 MPs 豐度和大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外,鞘單胞菌在葉層圈的積累可能在大 MPs 對葉際細(xì)菌群落致敏的潛在促進(jìn)中起關(guān)鍵作用。
專家介紹
北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,博士生導(dǎo)師。主要從事微生物生態(tài)學(xué)和環(huán)境修復(fù)生物技術(shù)的研究和教學(xué)工作。先后主持了國家重大專項、環(huán)保部公益項目、國家自然科學(xué)基金和科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃等國家項目,以及聯(lián)合國環(huán)境署(UN environment)和 ITTO 等國際重要合作項目 20 多項。在國內(nèi)外具有重要影響力的雜志發(fā)表相關(guān)科研論文 100 余篇。近期主要研究項目為科技部的 3 個重點(diǎn)專項課題,“半干旱滴取土地穩(wěn)定的微生物機(jī)制”,“青藏高原根際微生物特征與植物關(guān)系”,以及“農(nóng)田土壤零塑料污染—微塑料對農(nóng)田土壤微生物的影響”。與此同時,作為聯(lián)合國環(huán)境署旗艦項目《全球環(huán)境展望》的高級咨詢委員會聯(lián)合主席、全球生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能科學(xué)-政策政府間平臺(IPBES)的多學(xué)科委員會委員(MEP-2015-2018),參與全球生態(tài)系統(tǒng)評估和環(huán)境保護(hù)的科學(xué)指導(dǎo)和平臺管理;作為國家生態(tài)環(huán)境部的核心專家,長期參與生態(tài)環(huán)境相關(guān)國際公約的談判和國家履約行動的技術(shù)支持工作。
北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2020 級博士研究生,研究方向為大氣微塑料傳輸過程及其對下墊面微生態(tài)的影響。
用戶反饋
為了探究大氣微塑料的分布情況和環(huán)境命運(yùn),我們采用了 8700 LDIR 激光紅外成像儀對大氣降塵和植物葉片上的微塑料進(jìn)行上機(jī)檢測。該儀器配備了專門為微塑料研究而建立的數(shù)據(jù)庫,準(zhǔn)確度極高,自動化流程大大減少了人工操作和時間成本,能夠快速獲取有關(guān)微塑料尺寸、形狀和聚合物類型等多項參數(shù)。
通過使用 8700 LDIR 激光紅外成像技術(shù),我們的研究發(fā)現(xiàn)了大量尺寸在 10-50 微米之間的微小微塑料顆粒,共涵蓋了 26 種不同的聚合物類型。這些發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的人工目視檢查結(jié)果,極大地提升了我們對大氣微塑料和其在葉片上截留特征的了解,為更有效地管理大氣微塑料問題提供了有力的數(shù)據(jù)支持。
8700 LDIR 紅外成像降塵中微塑料快速定性及定量測試解決方案
8700 LDIR 紅外成像光譜儀采用量子級聯(lián)激光器作為光源,搭配安捷倫開發(fā)的高度智能化 Clarity 軟件,可自動實現(xiàn)對微塑料顆粒識別、圖像采集、紅外譜圖測試、尺寸信息以及定性結(jié)果統(tǒng)計等。與此同時,還可獲得每個顆粒的形態(tài)分析數(shù)據(jù),可用于顆粒的形狀篩分及溯源工作。如下圖所示,大氣降塵樣品中微塑料的粒徑具有豐度高,粒徑尺度基本低于 120 um 等特性,常規(guī)傳統(tǒng)紅外顯微儀器很難實現(xiàn)準(zhǔn)確測試。而 8700 LDIR 紅外成像高精度的顆粒識別方法,可將大于 6 um 以上的顆粒全部自動識別并實現(xiàn)準(zhǔn)確測試。測試全程由軟件自動控制,最大限度的消除了人為誤差的影響,為實驗室間進(jìn)行數(shù)據(jù)對比提供了更多可行性。
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