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Jul 05, 2023

Retención de partículas foliares y acumulación de oligoelementos tóxicos en seis especies de plantas al borde de una carretera en una ciudad subtropical

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 12831 (2023) Cite este artículo 222 Accesos Detalles de métricas Como fuente importante de contaminación del aire, partículas (PM) y trazas tóxicas asociadas

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12831 (2023) Citar este artículo

222 Accesos

Detalles de métricas

Como fuente importante de contaminación del aire, las partículas en suspensión (PM) y los oligoelementos tóxicos asociados plantean amenazas potencialmente graves para la salud humana y la seguridad ambiental. Como se sabe, las plantas pueden reducir la contaminación del aire por partículas. Sin embargo, la relación entre las partículas de diferentes tamaños y los oligoelementos tóxicos en las partículas foliares aún no está clara. Este estudio se realizó para explorar la asociación entre PM de diferentes tamaños (PM2.5, PM10, PM>10) y oligoelementos tóxicos (As, Al, Cu, Zn, Cd, Fe, Pb), así como la correlación entre PM oligoelementos de seis especies de plantas al borde de la carretera (Cinnamomum camphora, Osmanthus fragrans, Magnolia grandiflora, Podocarpus macrophyllus, Loropetalum chinense var. rubrum y Pittosporum tobira) en Changsha, provincia de Hunan, China. Los resultados mostraron que P. macrophyllus tenía la mayor capacidad para retener PM y C. camphora sobresalió en retener PM2.5. Se recomendó encarecidamente plantar la combinación de P. macrophyllus y C. camphora en la ciudad subtropical para reducir eficazmente la PM. Los oligoelementos tóxicos acumulados en las partículas foliares variaron según la especie de planta y el tamaño de las partículas. El ANOVA de dos vías mostró que la mayoría de los oligoelementos tóxicos estaban significativamente influenciados por las especies de plantas, el tamaño de las partículas y sus interacciones (P <0,05). Además, los análisis de regresión lineal y correlación demostraron aún más la homología de la mayoría de los oligoelementos tóxicos en la PM foliar, es decir, confirmando que las plantas predicen las fuentes de PM así como el monitoreo ambiental. Estos hallazgos contribuyen al control de la contaminación del aire urbano y a la optimización de la configuración del paisaje.

La contaminación por partículas (PM) en la atmósfera se está volviendo cada vez más grave a medida que se intensifican la urbanización y la industrialización, lo que supone serias amenazas para la salud humana y la seguridad ambiental, por lo que ha atraído mucha atención1,2,3,4,5. PM son partículas respirables suspendidas en el aire, que pueden clasificarse como PM2,5 (menor o igual a 2,5 μm), PM10 (mayor a 2,5 μm y menor a 10 μm) y PM>10 (mayor o igual a 10 μm) según el tamaño de partícula6,7,8.

Las plantas al borde de las carreteras tienen el potencial de retener partículas atmosféricas y mejorar la calidad del aire9,10,11,12. En los últimos años, los investigadores se centraron en los mecanismos de retención de PM en las plantas y los factores que afectan la retención de PM. Para la propia planta, la micromorfología de la superficie de la hoja influyó en la capacidad de retención de MP13,14. Las últimas investigaciones encontraron que el cambio microclimático causado por la evapotranspiración en la superficie de las hojas de las plantas tuvo un efecto significativo en la retención de PM2.515. La capacidad de las plantas para retener MP puede verse afectada por los patrones de plantación y las estructuras de configuración tridimensional16. Igualmente importantes fueron los efectos de los factores meteorológicos sobre la retención de MP en las plantas, por ejemplo, la lluvia y el viento17.

Excepto por su capacidad para retener PM, no se puede ignorar el papel de las plantas en el monitoreo ambiental18,19. Grandes cantidades de oligoelementos tóxicos están presentes en las partículas atmosféricas20,21, y las partículas que contienen oligoelementos tóxicos pueden flotar hacia otros ecosistemas22 y luego enriquecerse en los organismos, poniendo así en peligro su salud20. Por lo tanto, la investigación de oligoelementos tóxicos en PM tiene implicaciones importantes para la evaluación de riesgos y el monitoreo ambiental. Un estudio reciente demostró que la PM de las hojas de las plantas puede reflejar sustancialmente la composición de oligoelementos tóxicos en el medio ambiente23. Sin embargo, todavía existe mucha confusión sobre las partículas foliares y los oligoelementos tóxicos asociados. ¿Cuál es la composición de los oligoelementos tóxicos en las partículas de diferentes tamaños retenidas por las plantas? ¿Es posible que las especies de plantas afecten a PM de diferentes tamaños para retener oligoelementos tóxicos? ¿Quién determina la concentración de oligoelementos tóxicos en las partículas foliares?

En este estudio, se investigaron seis plantas al borde de carreteras en Changsha, provincia de Hunan, una ciudad subtropical típica de China. Medimos el contenido de PM en fracciones de diferentes tamaños en sus hojas y los oligoelementos tóxicos asociados. También analizamos la asociación entre PM de diferentes tamaños y oligoelementos tóxicos, así como la correlación entre oligoelementos tóxicos, que rara vez se observa en estudios anteriores. Los objetivos de este estudio fueron (1) evaluar la capacidad de diferentes plantas para retener partículas de diferentes tamaños, así como oligoelementos tóxicos, (2) analizar los factores determinantes del contenido de oligoelementos tóxicos en las partículas, y (3) revelan asociaciones potenciales entre oligoelementos tóxicos de partículas. Nuestros resultados pueden contribuir al conocimiento de la capacidad de las plantas comunes al borde de las carreteras para retener partículas, oligoelementos tóxicos y sus posibles asociaciones en el área subtropical. Al mismo tiempo, nuestro estudio puede proporcionar una base teórica para la configuración de las plantas en los cinturones verdes urbanos y la aplicación de las plantas en el seguimiento ambiental. Además, nuestro trabajo puede proporcionar perspectivas innovadoras para el estudio de la MP foliar.

La Figura 1 muestra las diferencias entre especies de plantas en la retención de PM en fracciones de diferentes tamaños. La capacidad total de retención de MP de P. macrophyllus fue la más alta (3,8464 g/m2), que fue significativamente mayor que la de las otras cinco plantas (P <0,05). Podocarpus macrophyllus también tuvo la mayor retención de PM10 (0,1426 g/m2) y PM>10 (3,5865 g/m2). Las PM2.5 acumuladas en la superficie foliar de C. camphora fueron las más altas (0.4907 g/m2), lo que representó el 91.85% de la retención total de PM de C. camphora, mientras que C. camphora tuvo la menor retención de PM>10 (0.0160 g/m2), e indicó que C. camphora era mucho más eficaz en la acumulación de partículas finas. Aunque O. fragrans tuvo la retención más baja de PM total (0,3958 g/m2), la retención de PM2,5 de O. fragrans (0,2986 g/m2) fue sólo menor que la de C. camphora, y significativamente mayor que la de P. macrophyllus (0,1174 g/m2), L. chinense var. rubrum (0,0254 g/m2), M. grandiflora (0,0101 g/m2) y P. tobira (0,0004 g/m2). PM2.5, PM10 y PM>10 en la superficie de la hoja representaron el 75,43%, el 17,60% y el 6,97% de la retención total de PM de O. fragrans, lo que indicó que O. fragrans también fue más eficaz en la acumulación de partículas finas. .

Capacidad de retención de material particulado (PM) de diferentes plantas. (a) MP totales; b) PM2,5; c) PM10; (d)PM>10. Las diferentes letras minúsculas en el gráfico representan diferencias significativas en la capacidad de retención de MP de las especies de árboles (P <0,05).

La Figura 2 muestra las concentraciones de oligoelementos tóxicos en las partículas foliares de diferentes plantas. La distribución de oligoelementos tóxicos en PM del mismo tamaño de partícula fue diferente entre las seis plantas al borde de la carretera. Cinnamomum camphora transportaba la mayor cantidad de Al, Cu, Zn, Fe y Pb en las PM>10 foliares entre las seis plantas al borde del camino, y hubo diferencias significativas en las concentraciones de Al, Cu, Zn, Fe y Pb en las PM>10 foliares. 10 entre C. camphora y las otras cinco especies de plantas (P < 0,05). Las concentraciones más altas de Al, Zn, Cd, Fe y As se encontraron en las PM10 foliares de P. tobira, que fueron significativamente más altas que las de las otras cinco especies de plantas (P <0,05). Para Al, Zn, Cd y As, P. tobira tuvo la mayor concentración de PM2.5 foliar entre las seis plantas al borde de la carretera. La mayor concentración de Fe en PM2.5 foliar se observó en P. macrophyllus, que fue significativamente mayor que en C. camphora (P <0.05).

Concentración de oligoelementos tóxicos en partículas foliares de diferentes plantas. Diferentes colores representan diferentes plantas y diferentes formas representan partículas de diferentes tamaños.

La distribución del mismo elemento varió según la especie de planta y el tamaño de partícula. Para Al, C. camphora [PM>10 (537.825 mg/kg) > PM10 (69.319 mg/kg) > PM2,5 (3506 mg/kg)] y O. fragrans [PM>10 (309.648 mg/kg) > PM10 (91,191 mg/kg) > PM2.5 (7293 mg/kg)] tuvo el mayor contenido de Al en PM>10; P. tobira [PM10 (324,958 mg/kg) > PM2.5 (81,472 mg/kg) > PM>10 (25,202 mg/kg)] tuvo el mayor contenido de Al en PM10; M. grandiflora [PM2,5 (64.998 mg/kg) > PM10 (25.893 mg/kg) > PM>10 (15.055 mg/kg)] y P. macrophyllus [PM2,5 (46.844 mg/kg) > PM10 (28.992 mg/kg) > PM>10 (20,169 mg/kg)] tuvo el mayor contenido de Al en PM2.5; y hubo diferencias significativas entre los tres tamaños de partículas en una misma especie vegetal (P < 0,05), mientras que el contenido de Al de L. chinense var. rubrum no tuvo diferencias significativas entre los tres tamaños de partículas (P > 0,05). La distribución de Cd y As en el material particulado de diferentes hojas de plantas mostró una consistencia casi completa, como lo evidencian los niveles más altos de PM>10 en el follaje de C. camphora, PM2.5 en el follaje de M. grandiflora, PM10 en P. tobira y L. chino var. rubrum, y las concentraciones de Cd y As de O. fragrans y P. macrophyllus no mostraron diferencias significativas entre los tres tamaños de partículas (P > 0,05) (Tabla S1).

Los resultados del ANOVA de dos vías (Tabla 1) mostraron que la mayoría de los oligoelementos tóxicos estaban significativamente influenciados por las especies de plantas, el tamaño de las partículas y sus interacciones. Al (F = 36,19, P < 0,001), Cd (F = 6,64, P < 0,001) y As (F = 7,63, P < 0,001) fueron impulsados ​​más por la interacción de las especies de plantas y el tamaño de PM, mientras que algunos elementos fueron también influenciados significativamente por estos factores, pero estuvieron dominados por el tamaño de las partículas, como Cu (F = 8,70, P <0,001), Pb (F = 11,63, P <0,001) y Fe (F = 6,53, P <0,01). Más interesante aún, no hubo un efecto significativo del tamaño de las partículas sobre el Zn (P > 0,05). Hubo un efecto muy significativo de las especies de plantas sobre el Zn en las partículas (P <0,01).

El análisis de regresión lineal de las concentraciones de oligoelementos tóxicos en PM foliar y la capacidad de retención de PM foliar mostró que había una correlación significativa entre Al, As, Cd y Zn en PM2.5 y la retención de PM2.5 foliar (P <0.05). Sin embargo, no hubo correlación significativa entre los siete elementos y la retención foliar de PM10, PM>10 (Fig. 3).

Análisis de regresión de concentraciones de oligoelementos tóxicos con retención foliar de MP. En la figura se utilizan diferentes colores para distinguir los diferentes oligoelementos tóxicos. Los niveles de significancia se indican mediante P <0,05, P <0,01 y P <0,001.

La mayoría de los oligoelementos tóxicos en las partículas mostraron una correlación altamente significativa (P <0,05), excepto Pb y Cd (R = 0,259, P > 0,05). Sin embargo, la correlación entre los oligoelementos tóxicos se vio afectada por el tamaño de las partículas. Al y Cu se correlacionaron significativamente sólo en PM>10 (R = 0,780, P < 0,001), de manera similar para Al y Pb (R = 0,765, P < 0,001), Pb y Zn (R = 0,963, P < 0,001), Pb y Cd (R = 0,567, P < 0,05), y Pb y As (R = 0,629, P < 0,01). Fe y Al no se correlacionaron significativamente solo en PM2.5 foliar (R = 0.308, P > 0.05), de manera análoga para Cd y Cu (R = 0.073, P > 0.05), As y Cu (R = 0.119, P > 0.05) , Fe y Cd (R = 0,260, P > 0,05), y Fe y As (R = 0,286, P > 0,05) (Fig. 4).

Análisis de correlación entre oligoelementos tóxicos. Los diferentes colores representan diferentes tamaños de partículas. Los niveles de significancia se indican con *P < 0,05, **P < 0,01 y ***P < 0,001.

La urbanización se ha acelerado y aumentado la presión sobre el transporte, lo que también ha llevado a una rápida escalada de partículas en las carreteras24,25,26. Numerosos estudios han demostrado que las especies de plantas a lo largo de las carreteras pueden adsorber y eliminar eficazmente partículas de diferentes tamaños, lo que en cierta medida alivia la contaminación ambiental causada por el transporte urbano27,28,29. En nuestro estudio, P. macrophyllus tuvo la mayor retención de PM total, especialmente mucho más eficaz en la acumulación de partículas grandes de PM, lo que fue consistente con investigaciones anteriores30,31,32. Se ha demostrado que las especies de coníferas pueden retener partículas más eficazmente que las especies de hoja ancha debido a su estructura foliar única y sus características microscópicas. La microestructura de las especies de coníferas son rayas limpias "estriadas" y tiras de estomas bien dispuestas, con una gran cantidad de arrugas y estructuras esponjosas en el área de los estomas, y el tamaño de la pelusa es a nanoescala, lo que aumenta el área de la superficie y la rugosidad de la superficie y es más propicio para la deposición de partículas interceptadas30. Las agujas estrechas pueden ser alcanzadas más fácilmente por las partículas en el aire que las hojas grandes y planas; en comparación con las hojas aplanadas, las agujas estrechas de las coníferas tienen un número de Stokes mucho mayor y, por lo tanto, tienen una mayor eficiencia de captura31. Podocarpus macrophyllus no se consideró sobresaliente en su capacidad para retener PM2,5 ya que había diferencias fisiológicas entre las diferentes especies de coníferas32, y una selección adecuada de especies de coníferas puede conducir a una mejor calidad del aire12. Además, encontramos que C. camphora era preferible a P. macrophyllus y otras plantas en términos de su capacidad para retener PM2.5. Los estudios actuales sobre la capacidad de captura foliar de PM2,5 para árboles de hoja perenne de hoja ancha (C. camphora) no son concluyentes. Algunos investigadores encontraron que C. camphora no capturaba eficazmente partículas de pequeño tamaño33,34. Pero otros demostraron que los árboles de hoja perenne de hoja ancha tenían una mayor capacidad de adsorción de PM2,5 que los árboles coníferos31, y esto es consistente con nuestros resultados. La razón fue que los estomas de las hojas pueden adsorber PM2.531, y los árboles de hoja ancha (C. camphora) tienen más densidad estomática que los árboles coníferos (P. macrophyllus)35,36,37, por lo que C. camphora mostró una adsorción muy alta. capacidad de PM2.5. Además, los cambios sutiles en el vapor de agua ambiental provocados por la evapotranspiración de las hojas de las plantas también serían eficaces para retener PM2.515. En nuestro estudio, P. macrophyllus tuvo la mayor capacidad para retener PM y C. camphora sobresalió en retener PM2.5. Por lo tanto, nuestros resultados sugieren que se recomienda ampliamente plantar la combinación de P. macrophyllus y C. camphora en la ciudad subtropical para reducir efectivamente la PM del aire.

Estudios anteriores se centraron principalmente en la adsorción de partículas por parte de las plantas y los factores que influyen en la reducción de PM31, pero la relación entre PM de diferentes tamaños y oligoelementos tóxicos en PM foliar sigue sin estar clara. Nuestros resultados demostraron que hubo un "efecto del tamaño de partícula" para la mayoría de los oligoelementos tóxicos en la PM foliar. Todos los oligoelementos estuvieron influenciados por el tamaño de las partículas excepto el Zn. Sin embargo, el mecanismo de los efectos del tamaño de las partículas sobre los oligoelementos aún no está claro, lo que puede ser una dirección para futuras investigaciones. Además, el contenido diferente de los mismos elementos en material particulado del mismo tamaño de partícula indica que el material particulado puede provenir de diferentes fuentes, como por ejemplo la composición elemental del material particulado proveniente de áreas industriales y áreas no industriales y su contenido fue completamente diferente34. Para evitar la influencia de factores ambientales, todos los árboles estudiados se encontraban en la misma zona adyacente a la carretera. Por lo tanto, la razón más probable es que diferentes hojas de plantas absorben oligoelementos tóxicos de la misma fuente de partículas, lo que provoca variaciones en sus concentraciones. Los resultados del ANOVA bidireccional arrojaron más evidencia de que las especies de plantas y la interacción de las especies de plantas y el tamaño de las partículas tenían un efecto muy significativo sobre los siete oligoelementos tóxicos, lo que rara vez se había demostrado mediante tales métodos en estudios anteriores38,39. Las diferentes plantas generalmente tienen diferentes microestructuras foliares, es decir, algunas plantas son más propensas a absorber oligoelementos de partículas grandes en la superficie de la hoja40,41, mientras que otras son más propensas a absorber partículas finas, como PM2.542. Todos los oligoelementos tóxicos en PM>10 en el follaje de C. camphora en nuestro estudio fueron más altos que los de otras partículas de tamaño de partículas. Algunas plantas son selectivas en la adsorción de partículas debido a factores fisicoquímicos de sus hojas, lo que explica por qué C. camphora tiene la peor capacidad de adsorción de PM>10 pero su capacidad para retener oligoelementos tóxicos es mejor43.

En teoría, cuantas más partículas se retengan en la superficie de la hoja, más oligoelementos tóxicos deberían acumularse en consecuencia39,44. Sin embargo, los resultados de la regresión lineal mostraron que algunos oligoelementos tóxicos mostraban una correlación negativa significativa con el contenido de partículas cuando el tamaño de las partículas era inferior a 2,5 µm. Este resultado indicó que el oligoelemento tóxico puede ser absorbido por las hojas de las plantas. Además, se ha demostrado que las especies de plantas pueden afectar el contenido de oligoelementos tóxicos en las partículas foliares a través de sus microestructuras y de la selección de partículas33. Existe un hallazgo de que la salud de las plantas también afecta su capacidad para retener partículas. Al mismo tiempo, las partículas también pueden afectar el crecimiento de las plantas, la fotosíntesis, la respiración y la transpiración cuando las partículas en la superficie de la hoja alcanzan una cierta cantidad45. Por lo tanto, las diferencias en la capacidad de retención foliar de PM y la acumulación de oligoelementos tóxicos en PM también pueden atribuirse a incertidumbres asociadas a los procesos físicos y químicos involucrados en las interacciones planta-partículas.

En nuestro estudio, el fenómeno de una estrecha asociación entre oligoelementos tóxicos en la PM foliar fue comparable a los resultados de la mayoría de los estudios46,47,48,49. Aunque las muestras de hojas de plantas se recolectaron en el mismo espacio-tiempo, hubo algunas discrepancias en las fuentes de PM incluso en la misma área; por ejemplo, las PM en las carreteras pueden provenir de las emisiones de escape de los automóviles o de las PM36 de las carreteras. Hay registros que sugieren que Cd, Cu, Pb y Zn generalmente se originan en las PM50,51 de las carreteras, mientras que las emisiones de escape de los vehículos provienen de As, Cd y Pb52,53. La correlación altamente significativa entre As y Cd en todos los tamaños de partículas en este estudio confirma aún más la afirmación anterior y también ilustra que la retención de PM en el follaje de las plantas puede reflejar bastante bien las fuentes y la distribución de oligoelementos tóxicos en el ambiente de los bordes de las carreteras54. 55.

En este estudio, P. macrophyllus tuvo la mayor capacidad para retener PM y C. camphora sobresalió en retener PM2.5. Se recomienda encarecidamente plantar la combinación de P. macrophyllus y C. camphora en ciudades subtropicales para reducir eficazmente la PM. El tamaño de las partículas y las especies de plantas y sus interacciones jugaron un papel importante en la concentración de oligoelementos tóxicos en las partículas foliares. Además, la concentración de oligoelementos tóxicos en las partículas foliares depende conjuntamente de las características fisiológicas de la propia planta y de las fuentes ambientales. Las plantas pueden predecir la fuente de PM mediante oligoelementos tóxicos. Este estudio proporciona una nueva referencia para la ecologización de las ciudades y el control de la contaminación del aire.

Changsha se encuentra en la parte oriental de la provincia de Hunan (111° 53′–114° 15′ E, 27° 51′–28° 40′ N), que se encuentra en la zona de baja latitud con un clima monzónico subtropical. La temperatura media anual es de 17,2 °C y la precipitación anual es de 1361,6 mm en la ciudad. La concentración media anual de PM2,5 en 2017 fue superior al valor límite del estándar secundario chino de estándares de calidad del aire ambiental (GB 3095-2012) (35 μg/m3), y la concentración media anual de PM10 es igual al valor límite. del Estándar Secundario Chino de Estándares de Calidad del Aire Ambiental (GB 3095-2012) (70 μg/m3).

Al estudiar las especies de árboles verdes en Changsha, seleccionamos seis especies típicas de árboles verdes de hoja ancha y coníferas de hoja perenne en Changsha para monitorear y analizar su capacidad de retención de PM, incluidas cuatro especies de árboles: Cinnamomum camphora, Osmanthus fragrans, Magnolia grandiflora y Podocarpus macrophyllus, y dos especies de arbustos: Loropetalum chinense var. rubrum y Pittosporum tobira (Cuadro 2). Las plantas que seleccionamos no figuraban como plantas silvestres protegidas clave a nivel nacional y provincial en China ni como especies amenazadas en la Lista Roja de la UICN. Por tanto, no se necesitaban permisos o licencias específicas para el muestreo de plantas con fines de investigación según la normativa de la República Popular China sobre protección de plantas silvestres. Durante el proceso de muestreo, seguimos las pautas de muestreo locales para garantizar que no haya daños sustanciales al individuo recolector. Las muestras de hojas de plantas se recolectaron en ambos lados de las carreteras principales (Shaoshan Road y Furong Road) en la ciudad de Changsha (Fig. 5) el 25 de diciembre de 2017, cuando no había lluvias previas durante más de 7 días. El ancho del cinturón verde era de aproximadamente 3 m, y las plantas en el cinturón verde incluían cenadores, arbustos y hierbas con condiciones de hábitat consistentes. Para evitar los impactos causados ​​por las diferencias en ubicación y distancia, las muestras se seleccionaron dentro de los 3 m de la carretera y todas las muestras se recolectaron dentro de 1 día. La altura de muestreo fue de 2 a 6 m para cenadores y de 0,5 a 3 m para arbustos. Para cada especie, se seleccionaron diez árboles como muestras y las hojas se recolectaron al azar en cuatro direcciones diferentes (este, oeste, sur y norte) en las posiciones superior, media e inferior de la copa de los árboles. Se requiere que las hojas recolectadas estén sanas y libres de plagas y enfermedades. Después de la recolección de las muestras, las muestras se almacenaron cuidadosamente en bolsas de plástico selladas y se transfirieron inmediatamente a un refrigerador a 4 °C para experimentos y análisis posteriores. Mientras tanto, el diámetro a la altura del pecho (DAP) y el diámetro basal (BD) de las plantas se midieron con una regla de diámetro a la altura del pecho, la altura de cada árbol se midió con un altímetro y el ancho de las copas se midió con un una regla en dos direcciones: norte-sur y este-oeste.

Ubicación de las áreas de investigación. †Software y versión: QGIS 3.32.0. URL: https://server.arcgisonline.com/arcgis/rest/services/World_Imagery/MapServer/tile/{z}/{y}/{x}.

La retención de partículas en la superficie de las hojas de las plantas se determinó utilizando el método de pesaje de membrana microporosa53. El número de hojas de prueba se determinó de acuerdo con el tamaño y tipo de hoja para garantizar que las muestras de hojas experimentales fueran adecuadas y aleatorias, y se requirieron tres réplicas de cada planta. En general, las hojas más grandes de hoja ancha necesitaban entre 30 y 50 piezas, y las hojas más pequeñas, entre 150 y 300 piezas. Coloque las muestras de hojas de plantas seleccionadas en un vaso de precipitados con agua desionizada durante media hora y luego limpie cuidadosamente todas las partículas de las hojas con un cepillo pequeño. Luego, pellizque las hojas con unas pinzas puntiagudas (tenga cuidado de no dañarlas) y enjuáguelas tres veces con una cantidad adecuada de agua desionizada, luego colóquelas sobre un periódico para que se sequen. Finalmente, las hojas secas se escanearon con un escáner (escáner Epson 11000G) para obtener la proyección de la hoja y se exportaron todas las imágenes escaneadas de las hojas, luego se abrió el software Image J, se rodearon los bordes de las hojas y se calculó el área de la hoja. software. Para reducir el error, era necesario calcular el área de cada hoja tres veces y obtener el valor promedio.

La solución se filtró a través de la membrana microporosa seca y pesada de un tamaño de poro de 10 µm, y luego el filtrado se filtró a través de la membrana microporosa seca y pesada de un tamaño de poro de 2,5 µm y 0,1 µm para obtener tres niveles diferentes de tamaño de partícula de PM>10. PM10 y PM2.5 usando el mismo procedimiento anterior. Antes y después de cada filtración, la membrana filtrante microporosa se colocó en un horno a 60 °C31 y se secó hasta una masa constante (dos mediciones ≤ 0,0002 g), y se pesó en una balanza con una precisión de una diezmilésima.

La retención de MP en las hojas de las plantas se determinó mediante el método de diferencia de masa. El método de cálculo fue el siguiente:

Retención de MP por unidad de área foliar (g/m2):

En la fórmula, M es la retención de partículas por unidad de área foliar (g/m2); M1 es la masa seca de membrana filtrante antes de la filtración (g); M2 es la masa seca de membrana filtrante y partículas después de la filtración (g); S es el área total de las muestras de hojas de prueba (m2).

El contenido de oligoelementos tóxicos en la materia particulada de la superficie de las hojas de las plantas se determinó mediante digestión por solubilización acuosa. Se digirieron aproximadamente 0,2 g de membranas de filtro en un tubo de vidrio con una mezcla de HNO3 y HCl (proporción 1:3 v/v) usando un horno calentador de grafito (Polytech PT60, Polytech 3 Instrument, Beijing, China) y se mantuvo la mezcla en una temperatura ligeramente estado de ebullición durante 2 h. Luego, el espectrómetro de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES, Optima 8300, EE. UU.) determinó el contenido de oligoelementos tóxicos en la solución de digestión, y el límite de detección de este instrumento es de 0,001 a 0,1 mg/l. Se seleccionó el estándar nacional GSS-5 (suelo de Hunan) para el control de calidad y las recuperaciones estándar medidas oscilaron entre 85,1 y 114%. En este experimento, se midieron As, Al, Cu, Zn, Cd, Fe y Pb, que son oligoelementos tóxicos comunes en las partículas. Las soluciones estándar fueron seleccionadas de las muestras estándar nacionales de soluciones estándar de un solo elemento: As (GSB 04-1714-2004), Al (GSB 04-1713-2004), Cu (GSB 04-1725-2004), Zn (GSB 04-1761-2004), Cd (GSB 04-1721-2004), Fe (GSB 04-1726-2004) y Pb (GSB 04-1742-2004), con la concentración de 1000 μg/ml.

Se utilizó ANOVA unidireccional para comparar las diferencias en la capacidad de retención de PM de diferentes plantas. Se utilizó ANOVA bidireccional para revelar los factores subyacentes de las concentraciones de oligoelementos tóxicos en partículas. Se utilizó la regresión lineal para explorar la relación entre las concentraciones de oligoelementos tóxicos en partículas y la capacidad del follaje para retener partículas. Se utilizó un análisis de correlación basado en el método de Pearson para examinar la asociación entre diferentes oligoelementos tóxicos. Para la visualización de datos se utilizaron GraphPad Prism 8 así como los paquetes basados ​​en R "ggplot2" y "GGally". Todos los análisis estadísticos de nuestro trabajo se realizaron en R 4.1.1 (R-Core-Team, 2013).

Todos los procedimientos se siguieron cumpliendo con las normas y legislaciones institucionales, nacionales e internacionales. Las plantas que seleccionamos no figuraban como plantas silvestres protegidas clave a nivel nacional y provincial en China ni como especies amenazadas en la Lista Roja de la UICN. Por tanto, no se necesitaban permisos o licencias específicas para el muestreo de plantas con fines de investigación según la normativa de la República Popular China sobre protección de plantas silvestres.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente debido a [Los datos pueden usarse en nuestro próximo análisis] pero están disponibles a través del autor correspondiente a solicitud razonable.

Du, T. y col. Características y mecanismos de formación de la contaminación por partículas en invierno en Lanzhou, noroeste de China. J. Geophys. Res. Atmos. 125(18), 4 (2020).

Artículo de Google Scholar

Li, R., Wang, J., Xue, KX y Fang, CS Características de distribución espacial y temporal y análisis de factores que influyen en la contaminación por partículas en la ciudad de Jinan. Calidad del aire. Atmos. Salud 14(8), 1267–1278 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Li, JD y cols. Gravedad de la contaminación por partículas invernales en el norte de China impulsada por las teleconexiones atmosféricas. Nat. Geociencias. 15(5), 349–355 (2022).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Brunekreef, B. & Forsberg, B. Evidencia epidemiológica de los efectos de las partículas gruesas en el aire en la salud. EUR. Respirar. J. 26(2), 309–318 (2005).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Sicard, P., Khaniabadi, YO, Perez, S., Gualtieri, M. & De Marco, A. Efecto del O3, PM10 y PM2.5 sobre las enfermedades cardiovasculares y respiratorias en ciudades de Francia, Irán e Italia. Reinar. Ciencia. Contaminación. Res. 26(31), 32645–32665 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Carrión-Matta, A. et al. Fuentes y exposiciones de PM2.5 en el interior de las aulas en escuelas del centro de la ciudad. Reinar. En t. 131, 104968 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ma, YF, Zhao, HJ & Liu, QY Características de la contaminación PM2.5 y PM10 en la aglomeración urbana de Central Liaoning. Clima urbano. 43, 101170 (2022).

Artículo de Google Scholar

Priyan, RS y cols. Distribución vertical de fuentes de emisión de PM10 y PM2,5 y composición química durante el período invernal en la ciudad de Delhi. Calidad del aire. Atmos. Salud 15(2), 255–271 (2022).

Artículo de Google Scholar

Baumgardner, D., Varela, S., Escobedo, FJ, Chacalo, A. & Ochoa, C. El papel de un bosque periurbano en la mejora de la calidad del aire en la megalópolis de la Ciudad de México. Reinar. Contaminación. 163, 174–183 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Saebo, A. y col. Diferencias entre especies de plantas en la acumulación de partículas en la superficie de las hojas. Ciencia. Medio ambiente total. 427, 347–354 (2012).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Popek, R., Gawronska, H., Wrochna, M., Gawronski, SW y Saebo, A. Partículas en el follaje de 13 especies leñosas: deposición en superficies y fitoestabilización en ceras: un estudio de 3 años. En t. J. Phytorem. 15(3), 245–256 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Yang, J., Chang, YM y Yan, PB Clasificación de la idoneidad de las especies de árboles urbanos comunes para controlar la contaminación por PM2,5. Atmos. Contaminación. Res. 6(2), 267–277 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Sgrigna, G., Saebo, A., Gawronski, S., Popek, R. & Calfapietra, C. Deposición de partículas en hojas de Quercus ilex en una ciudad industrial del centro de Italia. Reinar. Contaminación. 197, 187-194 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Wang, HX & Shi, H. Capacidad, eficiencia y mecanismo de retención de partículas de especies de plantas seleccionadas: implicaciones de la plantación urbana para mejorar la calidad del aire urbano. Plantas 10(10), 2109 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Ryu, J., Kim, JJ, Byeon, H., Go, T. y Lee, SJ Eliminación de partículas finas (PM2.5) a través de la humedad atmosférica causada por la evapotranspiración. Reinar. Contaminación. 245, 253–259 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kim, S., Lee, S., Hwang, K. & An, K. Explorando patrones sostenibles de plantación de árboles en las calles para que sean resistentes a las partículas finas (PM2.5). Sostenibilidad 9(10), 1709 (2017).

Artículo de Google Scholar

Popek, R., Haynes, A., Przybysz, A. y Robinson, SA ¿Cuánto importa el clima? Efectos de la lluvia y el viento sobre la acumulación de PM en cuatro especies de árboles nativos australianos. Atmósfera 10(10), 633 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Tan, JH y cols. Características químicas y distribución de fuentes de PM2,5 en Lanzhou, China. Ciencia. Medio ambiente total. 601, 1743-1752 (2017).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Feder, WA Plantas como sistemas de bioensayo para monitorear contaminantes atmosféricos. Reinar. Perspectiva de salud. 27, 139-147 (1978).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Xie, JW y cols. Distribución de fuentes de metales traza asociados a PM2,5 en función del riesgo para la salud. Reinar. Contaminación. 262, 25 (2020).

Artículo de Google Scholar

Zhao, Z. et al. Evaluaciones in vitro de bioaccesibilidad y biodisponibilidad de metales traza PM2.5 en los sistemas respiratorio y digestivo y su potencial oxidativo. J. Peligro. Madre. 409, 124638 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Chen, B. y col. Modelado y evaluación de eventos de contaminación urbana por metales pesados ​​atmosféricos provenientes de una gran fundición de Cu. Ciencia. Medio ambiente total. 539, 17-25 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Li, CC y cols. El polvo foliar como monitor ambiental confiable de la contaminación por metales pesados ​​en comparación con las hojas de las plantas y el suelo en áreas urbanas. Quimiosfera 287, 132341 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Suleiman, A., Tight, MR & Quinn, AD Evaluación y predicción del impacto del transporte por carretera en las concentraciones ambientales de partículas PM10. Transporte. Res. D-Tr. E. 49, 301–312 (2016).

Artículo de Google Scholar

Jandacka, D., Durcanska, D. & Bujdos, M. La contribución del tráfico rodado a las partículas y metales en la contaminación del aire en las proximidades de una vía urbana. Transporte. Res. D-Tr. E. 50, 397–408 (2017).

Artículo de Google Scholar

Giunta, M. Evaluación del impacto ambiental de la construcción de carreteras: modelización y predicción de emisiones de partículas finas. Construir. Reinar. 176, 106865 (2020).

Artículo de Google Scholar

Maher, BA, Ahmed, IAM, Davison, B., Karloukovski, V. y Clarke, R. Impacto de las líneas de árboles al borde de las carreteras en las concentraciones interiores de partículas derivadas del tráfico. Reinar. Ciencia. Tecnología. 47(23), 13737–13744 (2013).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ozdemir, H. Impacto de mitigación de los árboles al borde de las carreteras sobre la contaminación por partículas finas. Ciencia. Medio ambiente total. 659, 1176-1185 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wu, J., Luo, K., Wang, Y. y Wang, Z. Configuración del cinturón verde de carreteras urbanas: la perspectiva de la eliminación de PM2,5 y la regulación de la calidad del aire. Reinar. En t. 157, 106786 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Guo, L. y col. Evaluación de barreras de coníferas y frondosas en la interceptación de partículas en un túnel de viento. J. Gestión de residuos atmosféricos. Asociación. 70(12), 1314-1323 (2020).

Artículo de Google Scholar

Jin, EJ y cols. Capacidad de eliminación de partículas de diez árboles de hoja perenne plantados en la ecologización urbana de Corea. Bosques 12(4), 438 (2021).

Artículo de Google Scholar

Chen, L., Liu, C., Zhang, L., Zou, R. y Zhang, Z. Variación en la capacidad de las especies de árboles para capturar y retener partículas finas en el aire (PM2.5). Ciencia. Rep. 7(1), 1-11 (2017).

Anuncios Google Scholar

Jia, M., Zhou, D., Lu, S. & Yu, J. Evaluación de la retención de partículas de polvo foliar y la capacidad de acumulación de metales tóxicos de quince especies de árboles al borde de las carreteras: relación y mecanismo. Atmos. Contaminación. Res. 12(2), 36–45 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Dang, N., Zhang, H., Abdus Salam, MM, Li, H. & Chen, G. Retención de partículas de polvo foliar y acumulación de metales de cinco especies de árboles de jardín en Hangzhou: cambios estacionales. Reinar. Contaminación. (Barking, Essex: 1987) 306, 119472–119472 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Jiang, XX, Zou, AL, Wang, YY, Zhou, XL y Ji, CJ Rasgos estomáticos de las hojas de plantas leñosas y su respuesta a la adición de nitrógeno en bosques típicos del este de China. Acta de ciencia. Nat. Univ. Pekinensis 54(4), 839–847 (2018).

Google Académico

Wang, N., Yuan, ML & Su, JL Relación entre la estructura de la hoja y la resistencia al frío de varias especies de árboles de alcanfor. J. Bosque del Noroeste. Univ. 28(4), 43–49+102 (2013).

Google Académico

Yang, FL, Deng, DL, Zhao, LJ & Zhu, LQ Estudio comparativo sobre las características morfológicas y estructurales de las hojas de Podocarpus macrophyllus macho y hembra. Acta Bot. Boreal Occidentalia Sin. 33(11), 42–47 (2021).

Google Académico

Hrotko, K. y col. Depósito foliar de polvo y metales pesados ​​en hojas de árboles urbanos en Budapest (Hungría). Reinar. Geoquímica. Salud 43(5), 1927-1940 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Konczak, B., Cempa, M., Pierzchala, L. y Deska, M. Evaluación de la capacidad de la vegetación al borde de las carreteras para eliminar partículas del aire urbano. Reinar. Contaminación. 268, 115465 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Rodríguez, JH, Pignata, ML, Fangmeier, A. & Klumpp, A. Acumulación de hidrocarburos aromáticos policíclicos y oligoelementos en las plantas bioindicadoras Tillandsia capillaris y Lolium multiflorum expuestas en estaciones de monitoreo de PM10 en Stuttgart (Alemania). Quimiosfera 80 (3), 208–215 (2010).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Fujiwara, FG, Gomez, DR, Dawidowski, L., Perelman, P. & Faggi, A. Metales asociados con partículas en suspensión en el aire en polvo de carreteras y cortezas de árboles recolectadas en una megaciudad (Buenos Aires, Argentina). Ecológico. Índico. 11(2), 240–247 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, H., Maher, BA, Ahmed, IAM y Davison, B. Eliminación eficiente de partículas ultrafinas de los gases de escape de diésel mediante especies de árboles seleccionadas: implicaciones para la plantación al borde de las carreteras para mejorar la calidad del aire urbano. Reinar. Ciencia. Tecnología. 53(12), 6906–6916 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Cao, J. y col. Estudios ultraestructurales sobre la senescencia natural de las hojas de Cinnamomum camphora. Escaneo 35 (5), 336–343 (2013).

Artículo PubMed Google Scholar

Hatami-Manesh, M., Mortazavi, S., Solgi, E. y Mohtadi, A. Evaluación de la absorción y acumulación de metales pesados ​​y partículas del aire ambiente por algunas especies de árboles en la metrópolis de Isfahán. Irán. Reinar. Ciencia. Contaminación. Res. 28, 41451–41463 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, WK, Wang, B. & Niu, X. Relación entre las características de la superficie de las hojas y las capacidades de captura de partículas de diferentes especies de árboles en Beijing. Bosques 8(3), 92 (2017).

Artículo de Google Scholar

Liu, G., Li, J., Wu, D. y Xu, H. Composición química y distribución de fuentes de PM2.5 ambiental en Hangzhou, China. Particuología 18, 135-143 (2015).

Artículo de Google Scholar

Liu, S. y col. Características de la composición química y distribución de fuentes de PM2,5 durante el invierno en Taiyuan. Reinar. Ciencia. 40(4), 1537-1544 (2019).

Google Académico

Taira, M., Sakakibara, K., Saeki, K., Ohira, S.-I. & Toda, K. Determinación de oxoaniones y especies solubles en agua de arsénico, selenio, antimonio, vanadio y cromo eluidos en agua a partir de partículas finas en el aire (PM2,5): efecto del contenido de ácido y metales de transición de las partículas en la elución de metales pesados . Reinar. Ciencia. Proc. Diablillo. 22(7), 1514-1524 (2020).

CAS Google Académico

Zhang, JF y cols. Características de la composición química estacional y distribución de fuentes de PM2,5 en Zhengzhou. Reinar. Ciencia. 41(11), 4813–4824 (2020).

Google Académico

Srivastava, A. & Jain, VK Distribución de tamaño e identificación de fuentes de partículas suspendidas totales y metales pesados ​​asociados en la atmósfera urbana de Delhi. Quimiosfera 68(3), 579–589 (2007).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Elhadi, RE et al. Identificación de la fuente de metales pesados ​​en partículas (PM10) en una zona de tráfico de Malasia mediante técnicas multivariadas. Pol. J. Medio Ambiente. Semental. 26(6), 2523–2532 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Johansson, C., Norman, M. & Burman, L. Factores de emisión de metales pesados ​​del tráfico rodado. Atmos. Reinar. 43(31), 4681–4688 (2009).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Kummer, U., Pacyna, I., Pacyna, E. y Friedrich, R. Evaluación de las emisiones de metales pesados ​​durante la fase de uso del transporte por carretera en Europa. Atmos. Reinar. 43(3), 640–647 (2009).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Dang, N., Zhang, H., Li, H., Salam, MMA y Chen, G. Evaluación integral de la retención de polvo y acumulación de metales por las hojas de las plantas al borde de las carreteras en Hangzhou entre estaciones. Bosques 13(8), 1290 (2022).

Artículo de Google Scholar

Weerakkody, U., Dover, JW, Mitchell, P. & Reiling, K. Cuantificación de la captura de partículas generadas por el tráfico por especies de plantas en una pared viva y evaluación de las características importantes de las hojas. Ciencia. Medio ambiente total. 635, 1012–1024 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Dzierzanowski, K., Popek, R., Gawronska, H., Saebo, A. & Gawronski, SW Deposición de partículas de diferentes tamaños en las superficies de las hojas y en ceras de especies forestales urbanas. En t. J. Phytorem. 13(10), 1037–1046 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

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Los autores agradecen a todos los participantes involucrados en este estudio y por tomarse el tiempo para participar en la creación del artículo.

Esta investigación fue financiada por el “Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China, subvención número 2020YFA0608100”, “los fondos conjuntos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, subvención número U21A20187”, “programa clave de investigación y desarrollo de la provincia de Hunan, subvención número 2020NK2022”, “Financiamiento especial para la construcción innovadora en la provincia de Hunan, subvención número 2021ZK4226”, “la Fundación de Investigación Científica del Departamento de Educación Provincial de Hunan, subvención número 18B171”, “Proyecto del Plan de Ciencia y Tecnología Forestal de Hunan, subvención número XLK201642”, y programa de Disciplinas Nacionales Clave (cultivo) en la Universidad Central Sur de Silvicultura y Tecnología.

Facultad de Ciencias de la Vida y Tecnología, Universidad Central Sur de Silvicultura y Tecnología, Changsha, Hunan, China

Yazhen Chen, Yichen Xu, Xiaocui Liang, Wende Yan, Rui Zhang, Ying Yan y Shixin Qin

Laboratorio Nacional de Ingeniería para Tecnología Aplicada de Silvicultura y Ecología en el Sur de China, Changsha, Hunan, China

Yazhen Chen, Yichen Xu, Xiaocui Liang y Wende Yan

Laboratorio clave de ecología forestal urbana de la provincia de Hunan, Changsha, Hunan, China

Xiaocui Liang y Wende Yan

Estación Nacional Lutou para la Observación Científica y la Investigación del Ecosistema Forestal en la Provincia de Hunan, Yueyang, China

Xiaocui Liang y Wende Yan

Laboratorio clave de ecología de bosques subtropicales de la provincia de Hunan, Changsha, Hunan, China

Xiaocui Liang y Wende Yan

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Todos los autores contribuyeron a la concepción y diseño del estudio. XCL y WDY son los asesores del artículo de YZC, respectivamente, y contribuyeron activamente al diseño de este estudio. RZ, YY y SXQ contribuyeron a la investigación de campo y al muestreo. YZC e YCX contribuyeron a la determinación del experimento. El manuscrito fue escrito por YZC, XCL. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Xiaocui Liang o Wende Yan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Chen, Y., Xu, Y., Liang, X. et al. Retención de partículas foliares y acumulación de oligoelementos tóxicos de seis especies de plantas al borde de la carretera en una ciudad subtropical. Representante científico 13, 12831 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39975-w

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Recibido: 13 de marzo de 2023

Aceptado: 02 de agosto de 2023

Publicado: 08 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39975-w

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