植物和地衣——空气质量的哨兵

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  空气污染会影响健康和环境。通过观察不同尺度的植物、苔藓和地衣,可以监测和评估污染物对陆地生态系统的影响。 这一概念起源于19世纪,此后该方法得到广泛应用与发展,并能够适应不断演变的空气污染。如今,我们有几种方法来观察污染物对植物群落、不同物种的生理模式甚至某些基因表达的影响。生物监测是一门不断发展的学科,能够适应当前我们面临的环境问题的挑战,比如气候变化。

  空气污染会对人体健康生态环境产生严重的损害。其健康风险是众多流行病学和毒理学刊物的主题,这些刊物不仅说明了空气污染对心血管系统的影响,而且越来越多地指出它对糖尿病或神经系统变性疾病等病理的影响。其环境风险也被研究了很长时间。因此,一些旅行日志观察到了污染对森林的损害,很多绘画作品描绘的场景中也观察到污染物的来源或影响。言归正传,20世纪80年代,森林枯死使整个欧洲提高了对二氧化硫造成的空气污染的认识,其环境影响促进了对污染物跨界性质的认知。从那时起,空气污染案例成倍增加,直到现在,出现了许多关于全球变化的问题。空气污染对影响环境的观测使得开发监测工具与完善理化方法成为可能。生物监测大多基于植物和地衣,它们是空气质量真正的哨兵。

1. 空气质量的生物监测:概念和应用

  因此,对空气质量的生物监测是指在不同的尺度上,使用植物或真菌等生物体来监测污染的影响。该方法在19世纪提出并不断完善发展。我们可以引用一位芬兰苔藓学家威廉·尼德兰[1]的工作进行说明,他在巴黎观察到,某些特定种类地衣[2]的下降与空气污染存在联系。最近,法国标准化组织协会(AFNOR)将生物监测定义为通过生物系统(生物体和生物群落)监测环境随时间/空间的变化。

1.1. 生物监测的不同概念

  生物监测包括许多不同的概念(这些概念最近也被AFNOR[3]重新定义),例如:

  指示生物是指可以提供环境影响信息的生物、生物体的一部分或生物群落。

  尽管理论上任何生物体对空气污染的反应都可以被观测到,但实际上,那些用作指示生物的反应必须具备一些特点。这些特点包括:

(1)必须具有科学基础(必须对其生物学机理和生态学特征具有充分认识:营养、接触污染物的途径、繁殖、在食物链中的位置等);

(2)与生态系统功能有单向或双向联系。这样,其反应就可以在更大尺度上与生态系统联系起来;

(3)能够综合反映出环境的物理、化学和生物属性或过程;

(4)能够对管理方法和不同类型环境污染进行有效地反馈;

(5)具有可观测性(精确性、可靠性、稳定性);

(6)已经通过了科学验证(对自然变化的响应特征是已知的);

(7)便于使用,不可以是稀有或保护物种(易于鉴别和易于取样);

  也可以利用生物累计性有机体进行环境监测,它们通过积累环境表面和/或内部存在的物质,提供有关环境条件及其改变的信息。

  最后,效应指标是一种通过特定征兆的表现(分子学、生化学、细胞学、生理学、解剖学或形态学)或其在生态系统中的存在和缺失来提供环境条件及其变化信息的生物体。

1.2. 空气质量生物指示的应用范围

  空气质量由权威空气质量协会管理的传感器网络系统持续监测。协会的基本任务是检测受管制污染物的浓度,以监控其浓度不超过规定阈值,并将空气质量状况告知有关部门和公众。

  植物和真菌的生物监测包括空气污染物对植物(如烟草、黑麦草、矮牵牛等)或地衣的影响。监测基于观察生物在环境中的反应及其对污染物的响应。生物监测提供的信息与传感器的物理-化学检测完美互补,后者提供有关空气中污染物浓度的信息。

  在许多情况下,用于生物监测的生物体在所研究的环境中生长(被动生物监测)。然而,当生物体在环境中缺失时,可以通过移栽将生物体(植物、苔藓、地衣…)转移到被监测的环境中(主动生物监测)。有许多不同的移栽技术,其中部分已被标准化。需要注意的是,移栽的生物体或是由人工培育(如高等植物),或是在未受污染的环境中收集(如无法栽培的苔藓和地衣)。

2. 植物和真菌生物监测的应用实例

2.1. 地衣和植物群落进化

  第一次“现代化”生物监测聚焦于地衣群落的进化。20世纪70年代到80年代,西欧的主要空气污染物是二氧化硫和悬浮粉尘(SO2和PS),主要来源于工业生产。当时,很多学者如英国的霍克斯沃斯和罗斯[4]、法国的范·哈鲁温和莱伦德[5]都研究了这些污染物对附生地衣群落(生长在树干上,图1)的影响。正如尼兰德之前提到的,这些学者都观察到了空气污染对特定组成的地衣群落具有明显影响(随着污染加剧,树干附生地衣群落丰富度下降,物种组成发生改变)。通过观察地衣物种,他们开发了不同的方法直接评估空气污染物对环境的影响。这些方法主要基于观察物种的分布和丰度对污染物敏感性的高低。随着空气污染逐渐演变,情况愈加复杂(SO2减少,氮、臭氧、有机化合物等浓度增加)。

环境百科全书-植物地衣-附生地衣
图1. 用于整体空气质量生物监测的附生地衣的实例。图中的Xanhoria parietina(黄色地衣)、Physcia adscendens和Physcia tenella(蓝色地衣)值得注意。
[图片来源:© APPA]

  范·哈鲁温和莱伦德开发了将地衣群落调查作为量度的方法,使研究空气污染对全球环境的影响成为了可能。地衣群落调查是基于对具有地理区域特征的种群及其随污染演变的观察。在法国,该量度现已被一种新的标准化(AFNOR)[6]指数(地衣附生生物指数(IBLE)所替代,并拓展到整个欧洲。该指数通过观测物种的存在/缺失、频率和恢复程度来计算多样性并进行衡量。IBLE的变化表明多样性的增加或减少。

  植物、真菌和动物群落的进化也与气候变化相关。当环境条件发生改变,可以监测到不同物种活动范围的改变(向更高海拔、更高纬度等)。这是生物监测方法的一个最新应用。

2.2. 被污染的哨兵生物

  一些生物有能力在组织中积累污染物且不产生显著的生理变化。这一特性被用来评估污染物对环境的毒害程度。这是当今使用最广泛的生物监测方法。但并不是所有的污染物都可以通过这种方式进行追踪,只有能够在生物体中显著积累的污染物才可以。包括金属、放射性元素、持久性有机污染物(二恶英、呋喃、多氯联苯等),以及某些氮类化合物等。所积累的污染物数量反映了其生物可利用性。因此,必须注意不要直接通过观测结果量化空气污染。污染物浓度显示了环境被污染的程度,也使研究污染物在食物链中的转移成为可能,从而有助于评估其健康风险。尤其是评估被人类直接食用的植物的污染情况。统一生物获取方法(the BARGE protocol)等研究方法使根据受金属污染植物的消费量计算健康风险成为可能,即通过评估可能被人体吸收的污染物数量,依据污染物的毒性来评估健康风险。

环境百科全书-植物地衣-地衣受金属污染状况
图2. 敦刻尔克地衣受金属污染状况。该图显示了地衣平均受污染比例(IMR)的变化。该指数代表了地衣受到的18种金属污染浓度与其自然浓度比例的平均值。RIM值越大,地衣受到的污染就越严重。
[图片来源:© Faculté de Pharmacie de Lille](图2 Gravelines格拉沃利讷,Loon-Plage 洛翁普拉日,Grande-Synthe 大桑特,Dunkerque 敦刻尔克,Leffrinckoucke 莱夫林考克,Bray-Dunes 布雷杜内斯)

  因此,许多方法可以对污染物对环境的影响进行时空监测(如通过地衣、移栽黑麦草、苔藓等方法监测金属污染)。这种方法可以在异地(如工业来源附近)或大面积区域(如欧洲的ICP植被计划)进行。这项工作也得益于地统计学和制图工具的发展(主要贡献来自于地理信息系统-GIS),从而可以获取准确且统计可靠的地图(图2)。

2.3. 基于观察植物征兆的生物监测

环境百科全书-植物地衣-坏死的烟草叶片
图3. 臭氧导致烟草叶片坏死。
[来源:© APPA]

  一些污染物会导致植物出现具有独特的、明显的症状(参见文章空气污染物对植被的影响是什么?)。最显著的例子是臭氧,它会导致叶片坏死。几个烟草模型中,最“著名”的是Bel W3烟草模型,它在生物监测中的使用已被标准化(AFNOR X95-900标准)[7]。臭氧会导致该物种的叶片出现白色坏死斑(图3)。在暴露过程中,将坏死的“Bel W3”品种与具有抗性的“Bel B”品种进行比较,以评估臭氧的损害,并确认该损害并非由植物致病有机体造成。

环境百科全书-植物地衣-矮牵牛
图4. 用于挥发性有机化合物生物监测的矮牵牛。
[图片来源:© Faculté de Pharmacie de Lille]

  当臭氧浓度为80µg/m3及以上时,会引起植物叶损伤。臭氧浓度越高,坏死叶片面积越大。将植物放置在不同地点,每周对坏死叶片表面进行一次观察,并将坏死叶片与对照组进行比较。

  关于该方法更详细的解释可查看空气污染防治协会(APPA)网页

  同样,为了评估臭氧的影响,也可以监测三叶草的生长(与抗性生态型NC-R相比,三叶草属于更加敏感的NC-S生态型)。在这种情况下,臭氧会导致其生长迟缓。然而,臭氧并不是唯一一种环境影响可见的污染物。例如,矮牵牛可以用来观测挥发性有机化合物的影响(图4)。这些污染物能够改变植物的生长和开花特征。

2.4. 由可见走向不可见

  现在,污染物的影响通常难以为肉眼所见。再者,当可见的损伤发生时,往往已经“太晚了”。多年来,研究工作一直致力于开发暴露于污染物且污染物有响应的植物标志物。这些生物标志物需要具有多种性质,包括可监测的生理反应(细胞呼吸、光合作用等),可监测的补偿机制(酶促或非酶促抗氧化系统等)或影响(DNA断裂、形成微核、图5所示的“彗星”等)。

环境百科全书-植物地衣-DNA碎片
图5. 在荧光显微镜下观察到的植物暴露于空气污染物后由DNA碎片形成的“彗星”的图像。该图是暴露于苯的植物(绿萝)叶细胞的细胞核。彗星的头是叶细胞的细胞核,而尾巴是由电泳迁移的DNA片段形成。
[图片来源:© Faculté de Pharmacie de Lille]

  目前,研究工作十分重视生态毒理基因组学方法。此时,问题在于如何监测一系列相关基因的表达。例如,那些参与细胞内污染物管理及其损伤机制的蛋白质的编码基因。

  本段所述的所有方法目的是制定可以污染物早期影响的指标,也是针对污染物的明确指标。

3. 重点总结

  • 以植物、苔藓和地衣作为空气污染对环境影响的指标。
  • 生长在树干的地衣开启了生物监测的之路。目前使用的方法为地衣附生生物指数(IBLE),通过树干上地衣的多样性、频率和覆盖率进行评估。该指标与空气质量的影响有关。
  • 一些生物体有能力在其组织中积累污染物而不受生理影响。这使得对污染物的环境影响进行时空监测成为可能。
  • 臭氧具有造成植物叶片坏死的特性,对烟草叶尤为明显。其他污染物会影响三叶草的生长或矮牵牛的开花过程。这些典型植物都已经被用于生物监测。

 


参考资料及说明

封面图片:Parmelia sulcata:叶状地衣,因具有积累微量元素的能力,常用于生物监测。[图片来源:© Damien Cuny]

[1] Nylander, W. (1896). Lichens from around Paris. Librairie des Sciences Naturelle, Paul Klincksieck, Paris

[2] 地衣是真菌和藻类共同形成的生物体,是菌类王国的一员。他们没有根,茎,叶,营养器官统称为叶状体。通过与大气交换获取水和矿质元素。通过叶状体内的藻细胞进行光合作用,合成有机物。

[3] Leblond S., Gombert-Courvoisier S., Louis-Rose S. (2014). Standardization in the field of air quality biomonitoring. International Workshop on Plant and Fungal Biomonitoring of Air Quality, Lille, France, 13 & 14 October 2014.

[4] Hawksworth, D.L. Rose, F. (1970). Qualitative scale for estimating sulphur dioxide air pollution in England and Wales using epiphytic lichens, Nature, 227, 145-148.

[5] Van Haluwyn C., Lerond M. (1986). Lichens and air quality: methodological evolution and limitations. Report n°2130, Paris, Ministry of the Environment (SREIE).

[6] AFNOR (2008). Air biomonitoring – Determination of the Biological Index of Lichens Epiphytes (IBLE), Standard NF X43-903. Paris, AFNOR.

[7] AFNOR (2008). Biomonitoring of the air – Bioindication of ozone by tobacco, Standard NF X43-900. Paris, AFNOR.


译者:蔺雨薇          编审:杜际曾          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: CUNY Damien (2022), 植物和地衣——空气质量的哨兵, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/plants-lichens-sentinels-air-quality/.

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