地衣与环境质量

lichens

  地衣没有机械保护结构,如植物角质层,(也没有根茎叶的分化),它们直接暴露在生长环境中,通过整体吸收雨水和空气,灰尘也被由菌丝形成的假皮层积累,导致空气、水及风尘等所含的污染物也被地衣捉住,因此地衣对不同程度的空气污染物反应极为敏感。地衣具有生长缓慢,寿命长的特性,一年四季,甚至在整个生命周期中都能积累大气中存在的各种化合物(包括污染物),地衣是真正的“海绵”。这些特性使科学家们使用某些地衣物种来监测大气环境质量,地衣对环境评估有重要科学意义和应用价值。

1. 为什么是地衣?

  地衣是一类非常适合用于研究气体或微粒空气污染的生物体,因为它具有各种特别有利的解剖结构和生理特征。(见地衣,令人惊讶的先驱生物;如图1所示):

  • 无角质层、气孔和导管,
  • 富含粘液的皮层[1],
  • 再生性,
  • 一年四季都有光合活性,
  • 生长缓慢。
环境百科全书-地衣与环境质量-地衣的地衣体
图1. 地衣的地衣体直接暴露于周围环境中。左侧是糠枇假扁枝衣(Pseudevernia furfuracea),一种生长在硬木或针叶树树皮上的地衣,具有枝状地衣体;右侧是糠枇假扁枝衣的地衣体垂直剖面。[资料来源:左,©J.阿斯塔 / 右,©丹尼尔·贡内](图1 Cortex supérieur 上皮层;Couche algale 藻层;Médulle 髓层;Cortex inférieur 下皮层;Rhizine 假根)

  地衣对环境没有任何物理防御组织,所以它们一年四季和一生的行为都像真正的“海绵”。通过整个地衣体直接捕获雨水和吸收空气,灰尘被困在菌丝体表面,地衣酸会与污染物产生反应。其中枝状地衣因其浓密的结构,比其他形态类型的地衣更有较高的表面积与体积比,更多地吸收以气溶胶形式存在于空气中的污染物(见空气污染)。叶状地衣具有叶状外观,只有上表面暴露在环境空气中,主要吸收通过重力沉积的化合物(即:空气中的污染微粒),这些特性使地衣成为人类活动引起的环境变化的真实“哨兵”(见植物和空气质量哨兵地衣)。

环境百科全书-地衣与环境质量-威廉·尼兰德
图2. 威廉·尼兰德(Wilhelm Nylander)(1822 – 1899)被认为是 19 世纪下半叶地衣研究的领军人物之一。他命名了3000个物种。[资料来源:A .巴雷(Barrès)的衍生作品:Bff(公共领域)]

  19 世纪下半叶,芬兰地衣学家威廉·尼兰德(Wilhelm Nylander)在巴黎停留期间(图2),首次提出地衣可被视为空气质量的“卫生计”(他使用的术语,意思是生物指示器),并提供大气污染的信息。地衣与可以反映污染物含量的物理化学传感器不同,地衣在设计?时考虑到了所有因素,其可作为全球控制空气污染的控制手段。已实施的不同的策略:

  • 通过观察树干上的地衣区系,可以确定其附近环境空气质量水平(生物指示器地衣);
  • 一些物种可以积累不同的污染物,并被用作传感器(生物积累体地衣);
  • 生理功能的成就是可以被证明的(生物标志物地衣)。

2. 生物指示器地衣

2.1. 从估算 SO2 对空气的污染到建立环境质量指数

  1866年至1896年间,尼兰德注意到巴黎卢森堡公园的地衣已经完全消失,而最初大约有30种物种存在在这里[2]。只有绿藻属的绿藻?存活下来。研究发现,这是由于使用煤代替木材取暖时产生的污染物二氧化硫(SO2)以及工业变化的影响造成的。

  从 19 世纪下半叶开始,城市和工业遗址附近的地衣正逐年消失,松萝等敏感地衣物种的消失和耐受性物种的持续存在就是标志。

  已经制定了不同的空气污染评估方法:

  • 定性方法:制定地衣污染/空气质量的对应水平,
  • 定量方法:估算空气质量指数。

2.2. 定性方法

环境百科全书-地衣与环境质量-霍克斯沃思和罗斯方法对地衣的观察
图3. 根据使用霍克斯沃思和罗斯方法(见参考文献3)对地衣的观察,对里昂(法国)附近的空气污染进行检测以μg/m3估算SO2含量。1984年至1996年间,由于大气中SO2含量的减少,地衣重新在研究区定居[4]。[资料来源:卡里尔论文2000 – DR] (图3 Zones 区域)

  第一种方法是基于地衣的实地观察(估测物种数据和恢复再生的百分比)。随后,建立地衣种类和 SO2 含量之间的映射尺度。使用最广泛的方法是 1970 年英国的霍克斯沃思和罗斯发明的。[3]在该方法中,约80种植物被分为0 ~ 10级11个污染等级,0级为最大污染等级(>170 μg/m3), 10级为最大纯度等级。在1970年至1980年期间,这种方法广泛应用于法国的许多研究中。在此期间, SO2是真正的空气污染示踪剂。

  20世纪80年代末,大气中二氧化硫含量显著下降,卢森堡公园的树上开始重新出现地衣,[4]随后出现在法国其他城市(图3)。

环境百科全书-地衣与环境质量-1984年至2012年期间观察到的地衣数量
图4 1984年至2012年期间观察到的地衣数量,以及同一时期在罗讷河流域的嗜氮物种百分比(参考文献5)。1984年至1996年期间,由于氮氧化物污染物的存在,观察到物种的数量增加,嗜氮物种急剧增加。[资料来源:© J.阿斯塔(J. Asta)](图 4 Observation des lichens en vallée du Rhône 在罗纳河山谷观察地衣;Nbre espèces observées 观察到的物种数量;especes acidophiles 嗜酸种类;especes nitrophiles 嗜氮物种)

  然而,在SO2减少的同时,其他大气污染物也有所增加:与汽车交通有关的氮氧化物(NOx)、农村地区与农业活动相关的氨化合物、有机化合物[5](图4)。

  因此,霍克斯沃思和罗斯的方法不能再使用了。正是在这个时候,一种不再基于地衣物种,而是基于物种群落观察的方法被引入,从而有可能建立一个生态诊断评分,在此评分中,地衣不再作为单一污染物的指标,而是作为空气质量的指标。在这种方法中,大约 30 种植物被分为 7 个区域,从 A 区(空气质量非常差)到 G 区(空气质量非常好)。这种方法已在法国北半部、里昂地区等地得到应用。

2.3. 定量方法

环境百科全书-地衣与环境质量-地衣生物指数IBLE 方法在法国里昂及罗讷河谷北部地区的应用
图 5 地衣生物指数IBLE 方法在法国里昂及罗讷河谷北部地区的应用。(参考文献后[5]). 地衣生物指数IBLE值反映空气质量:低值表示空气质量较低或较差,高值表示空气质量中等或较好。可以看出,大多数人口生活在IBLE 值最低的地区。[资料来源:© J.阿斯塔(J. Asta)]
(图 5 Lyon 里昂;Givors 吉沃尔;Vienne 维也纳;condrleu 孔德里约;Peage de Roussillon 鲁西永通行费)

  这些方法的基础是根据数学公式计算的污染指数,该公式使用了与皮质地衣植物区系有关的不同参数。最著名的是勒布朗(Leblanc)和斯洛弗(Sloover)(1970 年)的I.P.A.方法(大气纯度指数)。[6]这种方法在法国(在巴黎、里昂[4]和格勒诺布尔地区),以及加拿大,意大利,西班牙,瑞士等地经常使用。

  随后,地衣多样性作为环境质量指标的研究被引入。在2000年,11名欧洲科学家聚在一起制定了一个单一的方案,该方案根据统计规则定义了抽样策略,并避免了观察者的任何主观性。[7]

  从那时起,地衣指标评分标准首先在法国水平,然后在欧洲水平被开发为AFNOR标准。[8]这种监测附生地衣生物多样性的新方法是基于一个指数之上(附生地衣生物指数),该指数是根据物种的存在/缺失、频率和恢复情况计算得出的[5](图5)。

2.4. 氮和臭氧污染

  氮氧化物污染有利于或多或少嗜硝基物种的生长,而对嗜酸性物种不利。最早的研究之一是在巴黎圣母院(马恩(Marne)的教堂中进行的,随着周围环境中文化习俗的变化,教堂的墙壁上逐渐被大量的亲硝基地衣物种所覆盖。

环境百科全书-地衣与环境质量-格勒诺布尔地区翅叶蜈蚣衣总氮浓度(%)
图6 格勒诺布尔地区翅叶蜈蚣衣总氮浓度(%)(根据参考文献[9])。(照片翅叶蜈蚣衣Physcia Adscendens)。[来源:©照片 J.阿斯塔(J. Asta)](图 6 Source: AS.CO.P.A.R.G., Centre de Biologie Alpine 来源:AS.CO.P.A.R.G., 高山生物中心;Givors 吉沃尔;Vienne 维也纳;Physcia Adscendens 翅叶蜈蚣衣;Répartition de l’azote total de Physcia adscendens Teneurs importantes:- le long des voies de circulation (en rouge)- dans ‘agglomération- aux alentours de sources d’émission fixes 总氮分布来自:-在城市沿交通路线(红色部分)固定排放源附近重要的翅叶蜈蚣衣的数量)

  对格勒诺布尔地区机动车交通造成的二氧化氮(NO 2)污染进行了研究(图6),并建立了3个地衣敏感性等级的量表[9][10]。该尺度是根据地衣物种的生态参数、夏季NO2水平和该地区的环境特征进行表征的。

  为臭氧建立了一个相同的方法,并在格勒诺布尔地区[10]、瑞士和美国(俄亥俄州)等地建立了4个级别的敏感性等级。

3. 生物体内积累和生物标志

环境百科全书-地衣与环境质量-1975年至1985年期间在莫里安谷(萨瓦)测量的各种地衣中氟浓度的下降
图7 1975年至1985年期间在莫里安谷(萨瓦)测量的各种地衣中氟浓度的下降。袋衣(Hypogymnia physodes)(一种叶状地衣)和糠枇假扁枝衣(Pseudovernia furfuracea)(一种枝状地衣)[来源:改编自ref. [11] 和 照片 J.阿斯塔(J. Asta)和 C.里米(C. Remy)](图 7 Teneur en Fluor (ppm) 氟含量(ppm) Hypogymnia physodes 袋衣Pseudovernia furfuracea 糠枇假扁枝衣)

  地衣被用来测试累积污染物(生物蓄积物地衣)或生理或细胞效应(生物标志物地衣)。

  在 20 世纪 70 年代和 90 年代,阿尔卑斯山谷的铝厂排放的氟化物的积累特别受到地衣的追捧(对地衣产生显著影响)。这项工作会突出氟化物在空间(地图)和时间中的分布[11](图7)。

环境百科全书-地衣与环境质量-从采矿作业中采集的受大气铁污染的雀石蕊
图8 从采矿作业中采集的受大气铁污染的雀石蕊(加拿大魁北克)。[资料来源:© G. 阿涅洛(G. Agnello)]

  同样,地衣可以监测金属微量元素的积累。广泛的研究了对法国北部巴黎地区道路交通造成的污染,并在比利牛斯山脉[12]、阿尔卑斯山脉或世界其他地区对其他金属进行了研究(图8)。

  在伊兹尔[13]和敦刻尔克海岸,可以很好地观察到焚烧厂等工业气体的排放。[14]

  在黄鳞中测定到氯碱厂大气汞沉降量。结果表明,当人们离开污染半径为2 公里的工厂时,汞浓度会降低(图9)。[15]

环境百科全书-地衣与环境质量-贾里(Jarrie)氯碱厂周围的土壤和地衣中的汞浓度
图 9 贾里(Jarrie)氯碱厂周围的土壤和地衣中的汞浓度(参考文献[15],经许可)[来源©爱思唯尔](图 7 River 河流 City 城市区;500 m contour line 等高线;Industrial area 工业区域;Chlor-alkali factory 氯碱厂 Sampling location and Hg content /ug·g-1 取样点与汞浓度/ug·g-1;Soils 土地;Lichens 地衣)

  利用地衣进行环境生物监测提供了关于有机化合物(PCBs,二恶英、多环芳烃等)的宝贵信息。与大气中的浓度相比,这些化合物的浓度系数非常高。这项工作导致一项战略的制定,在使用地衣等生物指标评估大气中持久性有机污染物对环境的污染时,应遵循这一战略。[16]

  放射性元素也会在地衣中累积。第一项工作是在 1950 年代和 1970 年代进行的,期间主要在前苏联进行了核试验,并分析了进入大气层的放射性元素沉降物(主要是90 Sr 和137 Cs)。[17]

  1986 年切尔诺贝利事故后,驯鹿群因摄入被放射性元素污染的地衣而受到污染。为了防止人们食用受到污染的驯鹿肉,整个鹿群被宰杀。

  通过对人类活动的“记忆”效应,植物标本室样品还可以顺利地用于分析各种有机或无机污染物、放射性元素等。

  在地衣稀少或缺乏地衣的地区,移植技术[18]可以有效地应用起来,特别是树生地衣。事实上,它可用于空气污染监测,例如在家庭废物填埋场。

  此外,还为生物蓄能器的使用制定了AFNOR标准。它描述了用于空气污染特征物质生物积累的地衣原位取样和制备样品的方法。

4. 其他类型的污染

4.1. 海洋污染

  在海上,碳氢化合物、阴离子表面活性物质等各种污染物通过在海面上形成几微米的薄膜而扩散。在海岸,污染物可以接触到地衣,显示出各种类型的损害。地衣可用作地中海沿岸海洋气溶胶污染的生物指示器和生物蓄积物。

4.2. 淡水污染

环境百科全书-地衣与环境质量-水中的地衣
图10。水中的地衣。左:皮果衣(Dermatocapon luridum);右:癞叶衣(Vezdaea leprosa)。[来源:©J. 拉格朗迪(Lagrandie)]

  地衣中的皮果衣被用作水中金属元素的生物富集物(图10A)。[19]最近,一种比细菌中更易于使用的“生物传感器”被开发出来,用于检测在工业或意外释放到水生环境中的苯(图10A)。

4.3. 土壤污染

一些耐受性土壤地衣可以在含有金属元素的土壤上生长,因此可以表明这些金属的存在。因此,藓生双缘衣、石蕊属和珊瑚枝属等都对土壤中的高含量金属有耐受性。癞叶衣(Vezdaea leprosa)是一种对特别脆弱的特别的物种,它经常出现在道路安全的锌滑道附近。(图10B)。

5. 环境和健康风险评估的模型系统

环境百科全书-地衣与环境质量-地衣生物多样性与当地年轻男性居民肺癌死亡率
图 11 左图:意大利威尼托地区的地衣生物多样性图(a)通过将 10 个单位抽样网格记录的所有地衣的频率值相加计算得出;(b)当地年轻男性居民肺癌死亡率图(表示为预期 x100)。[来源:基于奇斯拉基和尼姆Cislaghi & Nimis(1997年),获得许可] (图 11 Index de diversité lichénique 地衣生物多样性指数;Mortalité due au cancer du poumon肺癌死亡率)

  为什么地衣是环境和健康风险评估的优秀生物模型?在一个特定区域,丰富的地衣表明空气和环境质量良好,很少或没有污染物。而当地衣植被稀疏,则表明这是个较差的空气和环境质量与大气污染物的存在,恶劣的生活条件可能干扰人类健康。空气和环境质量将地衣植被与健康影响联系起来,往往与人们的社会条件有关。健康问题或社会经济状况可以通过地衣来确定。因此,地衣研究引起了人们的兴趣。以下有两个例子支持这一观点:

  • 在意大利(威尼托)进行的研究表明[20], 55岁以下男性肺癌死亡率与地衣生物多样性指数密切相关。因此,通过对比图中的两张图,我们可以看到地衣多样性指数高的地区,即地衣多(绿色地带),环境好,肺癌发病率较低。当地衣多样性指数低时,地衣较少(红色区域),环境质量较差,肺癌死亡率较高。
  • 最近,根据在敦刻尔克工业盆地进行的一项研究,研究人员能够突出地衣浸渍比率(表征人口的社会经济状况)和地衣与金属微量元素污染程度之间的关系。以这种方式取得的结果表明,在领土的范围内,卫生方面存在着环境和社会不平等。[21](见环境不平等)。

6. 总结

  • 地衣生长在除公海、活的动物组织和严重污染的地区以外的所有环境中。
  • 尼兰德是一位19世纪末的芬兰地衣学家,他通过对巴黎卢森堡公园的树木进行观察,首次提出地衣对空气污染很敏感。地衣的消失被认为是由于当时煤炭燃烧和工业发展排放的二氧化硫(SO2)的存在。
  • 各种基于地衣观察的方法已经出现,它们用于检测空气污染的影响并绘制其影响图。
  • 自89 – 90年以来,二氧化硫排放量的减少使得对这种污染物敏感的地衣重新出现。但其他污染物仍然存在,如氮氧化物,这导致所谓的亲硝基地衣物种的扩散。
  • 地衣能够积累金属、有机元素、放射性元素等各种污染物,并可作为传感器对来自大气、水或土壤的污染物进行分析。
  • 地衣生物指示和分析样品制备标准已经制定。
  • 地衣是评估环境和健康风险的优良生物模型。

 


参考资料及说明

封面照片:海绿宽叶衣(Platismatia glauca)(一种生长在落叶和针叶树的树枝和树干上的叶状地衣体;它寻求潮湿的氛围和光线。避开污染。经常出现在科林斯和亚高山)。[资料来源:©J. Joyard乔亚德]

[1] 由多糖组成的一种物质,与水接触时膨胀成粘稠质,或是粘稠的、类似明胶的稠度。

[2] Nylander, W. 1866 – The lichens of the Luxembourg Garden. Bull. Soc. Bot. Fr.,13, 364-372 : Nylander, W. 1896 – The lichens of the surroundings of Paris. Ed. Schmidt, 142p.

[3] Hawksworth, DL. Rose, F. 1970 – Qualitative scale for estimation sulphur dioxide air pollution in Great Britain and Wales using epiphytic lichens. Nature, 227, 145-148.

[4] Khalil K. 2000 – Use of plant bioindicators (lichens and tobacco) in the detection of air pollution in the Lyon region. Thesis University Grenoble. 284p.

[5] Agnello, G., Catinon, M., Ayrault, S., Boudouma, O., Asta, J., Reynaud, S. & Tissut, M. 2014 – Monitoring the evolution of cumulative air pollution in an area of the Rhône Valley. International Workshop. Air quality biomonitoring using plants and fungi. Lille New Century October 13-14, 23p.

[6] Leblanc, F. and De Sloover, J. 1970. Relation between industrialization and the distribution and growth of epiphytic lichens and mosses in Montreal. J. Bot., 48, 1485-1496.

[7] Asta, J. Erhardt, W., Ferretti, M., Forasier, F., Kirschbaum, U. Nimis, P.L., Purvis, W., Pirintsos, S. Sheidegger, C. Van Haluwyn, C. & Wirth, V. 2002. Mapping Lichen diversity as an indicator of environmental quality. In P.L. Nimis, C. Sheidegger & P.A. Wolseley (Eds). Monitoring with lichens-Monitoring lichens. Kluwer, 273-279.

[8] 欧洲标准CEN NF-EN-16413.2014 -地衣生物监测:附生地衣多样性评估

[9] Gombert, S., Asta, J. & Seaward, MRD. 2003- Correlation between the nitrogen concentration of two epiphytic lichens and the traffic density in an urban area. Pollut. 123, 281-290.

[10] Gombert, S., Asta, J. & Seaward, MRD. 2006 – Lichens and tobacco plants as complementary biomonitors of air pollution in the Grenoble area (Isère, southeast France). Indic, 6, 429-443.

[11] Belandria, G. Asta, J. & Garrec, JP. 1991 – Diminutions of fluorine contents in lichens due to a regression of pollution in an alpine valley (Maurienne, Savoie, France) from 1975 to 1985. Ecol. Alp. Grenoble, volume 1, 45-58.

[12] Veschambre, S., Amouroux, D., Moldovan, M., Etchelecou, A., Asta, J. & Donard, O.F.X. 2003. Determination of metetallic pollutants in atmospheric parties, wet deposition and epiphytic lichens in the Pyrenees mountains (Aspe Valley). Phys. IV, 107, 1341-1344.

[13] Agnello, G. Study Report. Lycene bioaccumulation. In BIO-TOX. 2017 monitoring campaign around the Bourgoin-Jallieu incineration plant (38). Appendix 2. 46p.

[14] Cuny, D., Denayer, F.O., De Foucault, B., Schumacker, R., Colein, P. & Van Haluwyn, C., 2004. Patterns of metal soil contamination and changes in terrestrial cryptogamic communities. Pollut, 129, 391-401.

[15] Grangeon, S., S. Guédron, J. Asta, J., J., G. Sarret & L. Charlet. 2012- Lichen and soil as indicators of an atmospheric mercury contamination in the vicinity of a chlor-alkali plant (Grenoble, France). – Indic.13(1): 178-183.

[16] Augusto S., Máguas C. M., & Branquinho C. 2013 – Guidelines for biomonitoring persistent organic pollutants (POPs), using lichens and aquatic mosses -a review. Pollut, 180, 330-338.

[17] 1996年,切尔诺贝利灾难发生的10年后,法国进行的分析结果中显示,在波特上校(位于查特勒兹,Isère伊斯雷尔)的糠枇假扁枝衣(Pseudevernia furfuracea)样本中,铯134和137的含量仍然很高。(阿斯塔,委员会成员)

[18] The transplant technique consists in taking lichens from a healthy region and placing them in a polluted site to be monitored spatially and temporally. Healthy lichens are installed in several locations on the site for varying lengths of time (1 month, 3 months, 1 year, etc.) depending on the protocol chosen to perform the analyses of accumulated pollutants.移植技术是指从健康地区提取地衣,并将其放置在污染地进行空间和时间上的监测。根据所选的协议对累积污染物进行分析,在现场的几个地点种植野生地衣,时间长短不同(1个月、3个月、1年等)。

[19] Monnet, F., Bordas, F., Deluchat, V., Chatenet, P., Botineau, M., & Baudu, M. (2005), Use of the aquatic lichen Dermatocarpon luridum as bioindicator of copper pollution: Accumulation and cellular distribution tests. Pollut, 138,3, 455-461

[20] Cislaghi, C. & Nimis, P.L. 1997 – Lichens, air pollution and lung cancer. Nature, 387, 463-464.

[21] Occelli, F., Bavdek, R., Deram, A., Hellequin, A.P., Cuny, M.A., Zwarterook, I. & Cuny, D. (2016) Using lichen biomonitoring to assess environmental justice at a neighbourhood level in an industrial area of Northern France. Indic, 60, 781-788.


译者:杭伟          编审:王立松          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: ASTA Juliette (2022), 地衣与环境质量, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/vivant-zh/lichens-environmental-quality/.

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