以地衣监测南极乔治王岛重金属大气沉降的初步研究

论文摘要

地衣是真菌和藻类或者蓝细菌的共生联合体,其对大气污染极为敏感。许多科学研究者利用其生长速度极为缓慢、缺乏高等植物所普遍具有的表皮,对重金属元素通透性大、富集能力强等特点,通过移植法来监测大气环境中重金属的含量。而南极地区此类研究甚少,仍需进一步深入和拓展。利用常规的地衣形态学研究方法,对前人采自南极乔治王岛的地衣样品进行了分类学鉴定。共鉴定研究地区的常见叶状和枝状地衣物种10种,即王橙衣（Caloplaca regalis）、北方石蕊（Cladonia borealis）、夹心果衣（Himantormia lugubris）、脑纹瘿茶渍（Placopsis contortuplicata）、孔树花（Ramalina terebrata）、球粉衣（Sphaerophorus globosus）、高山珊瑚枝（Stereocaulon alpinum）、南极石耳（Umbilicaria antarctica）、南极松萝（Usnea antarctica）以及簇花松萝（Usnea aurantiacoatra）。提供了每个种的形态特征、生境、地理分布,给出10个物种的检索表和地衣体形态图片。笔者根据检查标本的记录信息,结合相关文献记载,分析了这些地衣在乔治王岛的生态分布。结果表明,所鉴定的10个常见地衣物种可分为广布种、石生种和土生种三类。广布种包括簇花松萝（Usnea aurantiacoatra）、夹心果衣（Himantormia lugubris）和南极松萝（Usnea antarctica）三种,其分布最为广泛,无特定的生境偏好,是该地植被群落的主要组成部分。石生种包括王橙衣（Caloplaca regalis）、孔树花（Ramalina terebrata）、南极石耳（Umbilicaria antarctica）和脑纹瘿茶渍（Placopsis contortuplicata）四种,仅见于岩石上;其中王橙衣（Caloplaca regalis）、孔树花（Ramalina terebrata）特别偏好于鸟类活动频繁的地带,与南极石耳（Umbilicaria antarctica）共同组成近海岸带地衣群落的重要组分;而脑纹瘿茶渍（Placopsis contortuplicata）则偏好于生长在碎石滩上。土生种包括北方石蕊（Cladonia borealis）、球粉衣（Sphaerophorus globosus）和高山珊瑚枝（Stereocaulon alpinum）三种,通常生长在土上,并与藓类一起构成土生群落。对所鉴定的9种常见地衣,以网袋法实验比较其对7种金属元素的富集能力差异,即:簇花松萝（Usnea aurantiacoatra）、夹心果衣（Himantormia lugubris）、北方石蕊（Cladonia borealis）、王橙衣（Caloplaca regalis）、球粉衣（Sphaerophorus globosus）、高山珊瑚枝（Stereocaulon alpinum）、脑纹瘿茶渍（Placopsis contortuplicata）、孔树花（Ramalinaterebrata）、南极石耳（Umbilicaria antarctica）对钴（Co）、铜（Cu）、铬（Cr）、铝（Al）、铅（Pb）、镍（Ni）、镉（Cd）的富集能力。2个月的网袋法实验结果显示,不同地衣对大气沉降金属的富集能力存在差异,这种物种间差异表明不同地衣对于大气沉降金属的灵敏度不同。其中夹心果衣（Himantormia lugubris）对大气沉降中Pb、Co、Al和Cu的富集能力较强,南极石耳（Umbilicaria antarctica）对大气沉降中Ni、Cr和Cd的富集能力较强,而簇花松萝（Usnea aurantiacoatra）对7种元素富集的综合能力最强。因此,在南极乔治王岛的大气沉降重金属元素监测中,夹心果衣是Pb、Co、Al和Cu的良好检测生物,而南极石耳适于检测大气沉降中Ni、Cr和Cd的含量;若综合检测Al、Pb、Ni、Co、Cu、Cr和Cd的大气沉降,簇花松萝（Usnea aurantiacoatra）则是一个很好的选择;如果可以选择两种地衣来监测大气中重金属元素含量时,夹心果衣（Himantormia lugubris）+南极石耳（Umbilicaria antarctica）则是最佳组合。利用电感耦合等离子体质谱仪（安捷伦公司7500系列）和电感耦合等离子体发射光谱仪（Oplima 2000 DV Perkins Elmer）检测采自南极菲尔德斯半岛6种地衣体内（夹心果衣,孔树花,南极石耳,簇花松萝,王橙衣和球粉衣）的13种金属元素（V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb、Al和Ti）在4个年份（1983、1993、2006、2010）间的含量差异,并计算地衣体内的金属元素的富集因子。结果表明,1)夹心果衣（Himantormia lugubris）和簇花松萝（Usnea aurantiacoatra）体内的多数金属元素来源于其生长基物—岩石,而南极石耳（Umbilicaria antarctica）、王橙衣（Caloplaca regalis）和孔树花（Ramalina terebrata）体内近50%或更多元素主要为非基物来源;2)元素V、Co、As、Fe、Ti和Al主要来自基物,而元素Cr、Cu、Ni、Zn、Pb、Cd和Mn则是非基物来源;3)地衣体内的各金属元素无论是来自其生长的基物还是非基物来源,5种地衣的13种金属元素在4个年份间均无显著差异。以上结果表明,近20年来,大气沉降在地衣体重金属元素的三个来源（生长基质,包括岩石和土壤;海水喷溅和鸟类排泄物;大气沉降）中不占优势,即南极大气重金属污染的变化程度非常小,其变化量并不足以掩盖基物对地衣体内金属元素的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地衣简介
• 1.3 目前大气重金属污染现状及其危害
• 1.3.1 全球大气重金属污染现状
• 1.3.2 重金属污染对人体的危害
• 1.4 利用地衣监测大气重金属污染的优势及现状
• 1.4.1 地衣体内物质的来源
• 1.4.2 利用地衣监测大气重金属污染的优势及富集机制
• 1.4.3 利用地衣监测大气重金属污染的现状
• 1.5 利用地衣监测南极乔治王岛重金属大气沉降的立题依据、研究意义及创新点
• 1.5.1 立题依据
• 1.5.2 研究意义
• 1.5.3 研究创新点
• 第2章 南极乔治王岛菲尔德斯半岛常见地衣的分类学研究及其分布
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 采集地点自然概括
• 2.2.2 地衣标本
• 2.2.3 研究方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 南极乔治王岛菲尔德斯半岛常见地衣的分类学研究结果
• 2.3.2 南极乔治王岛菲尔德斯半岛10 种常见地衣的分布
• 2.4 小结
• 第3章 南极乔治王岛9 种常见地衣物种重金属元素富集能力的比较
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 材料、试剂和仪器
• 3.2.2 网袋法实验
• 3.2.3 测量方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 供试地衣体内的金属元素含量
• 3.3.2 对照组和暴露组地衣体内金属元素含量变化
• 3.3.3 重金属元素增高值的多元统计分析
• 3.4 讨论
• 3.4.1 网袋法处理对地衣的大气沉降重金属元素富集能力的合理性
• 3.4.2 地衣对7 种金属元素大气沉降富集能力的物种差异
• 3.5 小结
• 第4章 年季变化和元素来源数据分析
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 统计分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 5 种地衣体内的11 种元素的来源分析
• 4.3.2 地衣体内金属元素含量的时间变化格局
• 4.4 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间取得的科研成果