《Environmental Science & Technology》：Urban Green Walls under Traffic Stress: Linking the Elemental Composition of Particulate Matter Deposition to Plant Physiological and Gene Expression Responses
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中文摘要翻译：
这项为期一年的研究整合了多元素分级、生理学和基因表达分析，以调查位于高交通流量城市站点的一面九物种绿色墙体中的PM滞留情况与植物响应。研究人员优化了一种化学分级方法，以区分内源性与外源性元素，克服了传统方法的一个主要局限性。对Al、Cr、Cs
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这项为期一年的研究整合了多元素分级、生理学和基因表达分析，以调查位于高交通流量城市站点的一面九物种绿色墙体中的PM滞留情况与植物响应。研究人员优化了一种化学分级方法，以区分内源性与外源性元素，克服了传统方法的一个主要局限性。对Al、Cr、Cs、Fe、Mn、Mo、Rb、Sb、Sn、Ti和Zn的不溶组分进行主成分分析（PCA）表明，红叶石楠（Photinia × fraseri）是对非尾气交通来源颗粒物具有最高且最稳定的长期滞留能力的物种，而蜈蚣蕨（Pteris vittata）的滞留能力最低且最不稳定。不溶元素可可靠地示踪PM沉积，而可溶组分和叶片组分则受到必需营养素以及Cs和Rb等示踪剂的内源库的强烈影响，可能导致传统方法对PM沉积的高估。扫描电子显微镜-能谱分析（SEM–EDS）证实，P. × fraseri的颗粒物滞留量比P. vittata高出达100倍。生理学和基因表达分析揭示了P. × fraseri显著的季节性调节，表明其在对环境波动的响应中具有更大的生理和分子可塑性，而P. vittata则保持了相对稳定的光合作用和转录谱。研究结果为基于植物的生物监测和城市绿色基础设施建设提供了一个稳健的框架。
论文解读文章
**一、研究背景与科学问题**
城市化进程引发了包括生物多样性丧失、气候变化和空气质量恶化在内的深刻环境变化，尤其在交通密集的城市区域表现突出。在各类大气污染物中，颗粒物（Particulate Matter, PM）因其对人类健康和生态系统的影响而备受关注。交通源，尤其是包括刹车磨损、轮胎磨损以及土壤和道路扬尘再悬浮在内的非尾气排放（Non-Exhaust Emissions, NEEs），是城市PM和潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements, PTEs）的重要来源。基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）和绿色基础设施（Green Infrastructure, GI）被认为具有改善空气质量和提供经济高效的空气污染生物监测的潜力。
然而，现有研究存在若干亟待解决的知识缺口：第一，物种特异性的PM沉积和滞留机制尚不明确；第二，以往多数分子研究集中在实验室条件下的气态污染物，真实环境条件下PM对基因表达影响的研究仅限于少数物种且为短期的盆栽实验；第三，传统化学方法通常使用全叶提取物来量化叶片表面PM相关元素，难以区分根系吸收并转运至叶片的内源性元素与表面沉积PM中的外源性元素，可能导致PM沉积的高估。因此，开展一项整合化学分级、生理学和分子生物学方法的长期田间研究，对于理解植物对城市PM的滞留能力及响应机制，优化城市绿色基础设施设计，具有重要意义。
**二、研究内容概述**
该研究依托意大利罗马国家生物多样性未来中心项目（PNRR），在罗马市高交通流量地点（Via Nomentana与Via Asmara交叉口）安装了一面包含九种植物物种的绿色墙体，开展了为期一年的监测研究（2023年7月至2024年7月）。研究人员对全部九种物种进行了每月一次的叶片采样，以量化水溶性、不溶性和内源性叶片组分中的元素含量，并对物种的PM滞留效率进行排序。基于第一阶段的元素分析结果，选取PM滞留能力最高的红叶石楠（Photinia × fraseri）和最低的蜈蚣蕨（Pteris vittata）进行深入研究，每两个月对这两个物种进行化学分级、SEM-EDS微分析、生理学测量和基因表达分析。
**三、主要关键技术方法**
研究人员采用了化学分级方法，将叶片表面沉积的PM分离为水溶性组分和不溶性组分，并将洗涤后的叶片组织作为叶片组分进行分析。各组分经微波消解后，采用电感耦合等离子体质谱（ICP–MS）定量分析25种元素的浓度。利用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）对两个代表性物种叶片表面颗粒物进行形貌和元素组成分析，并通过自动单颗粒分析获取颗粒物数量与质量信息。同时，采用手持式叶绿素荧光仪测定光系统II（PSII）的有效量子产量（ΦPSII）和最大量子产量（Fv/Fm），使用便携式光谱辐射计获取叶片反射光谱并计算归一化植被指数（NDVI）、光化学反射指数（PRI）、类胡萝卜素反射指数（CRI1）和花青素反射指数（ARI1）。基因表达分析采用SYBR Green定量逆转录PCR（RT-qPCR）技术，检测抗氧化防御和细胞壁修饰相关基因的表达水平。
**四、研究结果**
**（一）探索性主成分分析揭示物种间元素分配差异**
对2023年7月至12月期间全部九种物种的元素浓度数据进行主成分分析（PCA），结果显示样本呈现明显的物种依赖性聚类，表明植物物种特定性状在决定元素组成和组分分配中起关键作用。PC1（30.2%方差）将具有较高不溶性沉积PM元素浓度的样本与具有较高水溶性和叶片滞留元素浓度的样本分开。多个非尾气排放示踪元素（Al、Cr、Cs、Fe、Mn、Mo、Rb、Sb、Sn、Ti、Zn）的不溶组分聚类在PC1负侧，表明这些元素主要与叶片表面物理沉积的不溶性颗粒物相关。红叶石楠（P. × fraseri）样本向PC1负侧显著偏移，表明其对交通来源不溶性PM组分具有显著滞留能力；而蜈蚣蕨（P. vittata）位于PC1正侧，与交通示踪元素集群明显分离，表明其与不溶性沉积PM的关联较弱。
**（二）非尾气交通排放PM不溶性示踪元素的时间趋势**
对11种非尾气交通排放相关的不溶性示踪元素（Al、Cr、Cs、Fe、Mn、Mo、Rb、Sb、Sn、Ti、Zn）的定量分析显示，所有物种的不溶元素浓度总体呈现从7月到10月逐渐积累、此后下降的共同趋势，这归因于温暖干燥条件有利于道路扬尘再悬浮和叶片沉积，而11月以后降雨频率增加降低了颗粒物再悬浮并通过冲刷减少叶片表面累积。在所有物种中，P. × fraseri表现出最高的不溶元素浓度和稳定的滞留能力，其次为P. laurocerasus和N. oleander；而P. vittata、E. ebbingei和G. "Rozanne"的滞留效率最低，其中P. vittata的滞留趋势在六个月的监测期内不稳定，与其羽状复叶、叶片较薄且角质层不发达的形态特征密切相关。
**（三）SEM–EDS表征叶片表面PM留存**
SEM微分析证实了两个物种间PM滞留能力的显著差异。未经洗涤的P. vittata叶片表面颗粒物丰度约为103个/cm2，而P. × fraseri叶片表面可达10?个/cm2。洗涤后，P. vittata叶片表面颗粒物进一步减少，而P. × fraseri仍有大量颗粒物附着（从约8×10?降至5×10?个/cm2），表明其叶片表面具有强大的颗粒物滞留能力。EDS分析显示，滞留的PM主要由硅酸盐（富Si）、铝硅酸盐（富Al）和金属（富Fe）颗粒组成，其中金属颗粒常与Cr、Mn和Zn伴生。Fe颗粒相比不规则形状的硅酸盐颗粒更易被洗涤去除，可能与其更致密的形态导致与叶片表面接触面积较小有关。
**（四）PM沉积与植物生理过程对元素滞留的相对贡献**
化学分级揭示了三个组分间元素分布的时间差异。P. × fraseri的不溶组分表现出较低的时间变异性（CV≈22–23%），表明在整个监测期间对PM相关元素具有稳定的滞留能力；而P. vittata的变异性显著更高（CV≈65–70%），反映其颗粒物滞留能力不稳定。相反，两个物种的可溶组分和叶片组分的变异性均较高（CV>30%），表明其受生理过程的影响大于大气沉降。Al、Ti、Cr、Sb和Sn等交通相关示踪元素主要存在于不溶组分中，确认了其大气来源属性；而Mg、Mn、Mo、K和Zn则表现出较高的叶片/不溶比值，与其作为必需营养素的生理功能及根系从肥料中吸收有关。值得注意的是，即使Rb和Cs非必需营养素，也表现出较高的叶片/不溶比值，这归因于肥料中存在并经根系吸收，其化学性质与K相似，可通过钾吸收系统转运并在叶片组织中积累。
**（五）生理响应揭示P. × fraseri与P. vittata的不同适应策略**
叶绿素荧光和光谱指数分析显示，两个物种的最大PSII效率（Fv/Fm）均保持稳定，表明在城市化暴露条件下未出现严重的光抑制。尽管P. × fraseri具有最高且最稳定的交通来源PM滞留能力（CV≈22%），其PRI和NDVI以及ΦPSII的季节变异性更大，表明其通过动态的生理调节来适应环境变化和较高的颗粒物负荷。而P. vittata保持了相对稳定的ΦPSII、PRI以及较高且稳定的ARI、NDVI和CRI1值，结合叶片组织中Zn、Mn和Mo的富集，表明其具有组成型的光保护和抗氧化机制。
**（六）P. × fraseri与P. vittata的对比基因表达响应**
基因表达结果与生理学及元素数据高度一致。P. × fraseri表现出更大的分子可塑性，抗氧化防御相关基因（PfFe-SOD和PfAPX2）在夏季（2023年7月）强诱导后下降，冬季达到最低，2024年7月部分恢复。细胞壁修饰相关基因PfCesA在监测初期高表达，冬季几乎不可检测，PfβGal2在春季出现短暂上调。这些转录变化与其不溶组分中交通相关示踪元素的高且稳定的滞留相匹配。相比之下，P. vittata的抗氧化和细胞壁相关基因（PvSOD、PvAPX、PvCesA、PvβGal8）表达时间变异性有限，与其光合效率、色素指数和抗氧化状态的稳定性相符，表明其依赖组成型保护机制，而非广泛的转录重组。
**五、讨论与结论**
该研究的关键方法论贡献在于化学分级方法的应用。传统基于全叶元素总量的方法可能高估大气PM的贡献，而化学分级能有效区分外源性沉积颗粒与内源性元素库。研究证明，不溶组分是表征叶片表面非尾气交通来源PM滞留的最可靠组分，而可溶组分和叶片组分受必需营养素以及Cs和Rb等内源池的强烈影响。因此，基于植物PM生物监测的物种选择应优先考虑具有高且稳定滞留能力的物种。
研究整合化学、生理学和分子生物学数据揭示了长期城市暴露下物种特异性响应策略：P. × fraseri通过增强生理和转录可塑性应对高PM负荷，表现出动态调节的适应机制；而P. vittata则以组成型保护机制维持生理稳定性。这种综合框架为评估植物PM滞留能力和响应提供了可转移的方法，为城市绿色基础设施中基于证据的物种选择提供了科学依据。
研究结论部分原文翻译：这项为期一年的田间研究表明，基于植物的PM生物监测的可靠性不仅取决于物种特异性颗粒物滞留能力，还取决于区分外部沉积元素与内源性元素库的能力。在所调查的九个物种中，P. × fraseri表现出最高的且时间上最稳定的交通相关PM滞留能力，而P. vittata表现出最低和最不稳定的滞留能力。SEM-EDS分析证实了这一对比行为，显示P. × fraseri叶片上的颗粒丰度高出两个数量级，且洗涤后仍有大量颗粒物留存。化学分级是该研究的关键方法论贡献。交通相关示踪元素主要与不溶组分相关，而可溶组分和叶片组分受内源性元素库的显著影响，不仅包括必需营养素，还包括Cs和Rb。因此，仅基于总元素浓度的方法可能高估大气PM的贡献，而分级方法为解释植物生物监测性能提供了更可靠的基础。元素、生理和分子数据的整合进一步揭示了长期城市暴露下对比鲜明的物种特异性响应。P. × fraseri高且稳定的PM滞留与生理性状及抗氧化和细胞壁相关基因表达的显著季节性调节相关，而P. vittata则将低PM滞留与相对稳定的生理和转录谱相结合，与更倾向于组成型保护机制一致。总体而言，将化学分级与微观、生理和基因表达分析相结合，为评估PM滞留和植物响应提供了可转移的框架，并为城市绿色基础设施中基于证据的物种选择提供支持。最后，在绿色墙体生物监测活动期间，研究人员在其附近的多个地点同步进行了长期、低流量PM10采样，包括PM10的化学表征和氧化潜势分析。未来研究中这些互补数据集的整合将进一步探究大气PM组成、叶片表面滞留颗粒物与潜在排放源之间的关系，同时为颗粒物氧化潜势及其与植物指示生物应激响应的可能关联提供见解。这种综合方法最终可能加强绿色墙体作为大气颗粒物污染生物监测有效工具的应用。
