室內(nèi)甲醛污染的植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

魯敏，裴翡翡，劉順騰

(1.山東建筑大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南250101;2.山東建筑大學(xué)齊魯建筑文化與景觀藝術(shù)研究基地，山東濟(jì)南250101)

0 引言

現(xiàn)代人類已經(jīng)繼第一污染期——煤煙污染和第二污染期——光化學(xué)煙霧污染后，進(jìn)入第三污染期——室內(nèi)化學(xué)污染［1］。甲醛為室內(nèi)污染三大隱形殺手之一，也已成為室內(nèi)頭號化學(xué)污染物［2］。據(jù)國家室內(nèi)環(huán)境質(zhì)檢中心、中國室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測工作委員會公布的2010年全國新裝修房屋甲醛污染調(diào)查統(tǒng)計情況，甲醛平均超標(biāo)達(dá)到了69.7%，較上年增加了9.7個百分點［3］;甲醛也被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸物，它能引發(fā)鼻竇癌和鼻腔癌，誘發(fā)白血病，是潛在的強(qiáng)致突變物，公認(rèn)的變態(tài)反應(yīng)原［4］。甲醛也已成為室內(nèi)最普遍化學(xué)污染物［5］，嚴(yán)重威脅著人們的生命安全和健康。

由室內(nèi)甲醛污染造成的危害已引起人們的廣泛關(guān)注，如何安全、有效的控制室內(nèi)污染，已經(jīng)成為亟待解決的問題。目前，國內(nèi)外針對甲醛和其它污染氣體的凈化開展了大量研究，其中植物生態(tài)修復(fù)作為一種經(jīng)濟(jì)、實用、安全、持續(xù)、簡便的技術(shù)成為化學(xué)污染修復(fù)的重要措施和手段［6］，成為居室生態(tài)環(huán)境質(zhì)量建設(shè)的核心內(nèi)容和研究熱點。

1 室內(nèi)生態(tài)環(huán)境與植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)

1.1 室內(nèi)生態(tài)環(huán)境

城市居民與其居室環(huán)境的相互作用所形成的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，稱為室內(nèi)生態(tài)?，F(xiàn)代生態(tài)學(xué)和居室研究的結(jié)合，要求生態(tài)居室的建立。居室生態(tài)功能圈是城市五大功能圈(居室生態(tài)功能圈、社區(qū)生態(tài)功能圈、中心城區(qū)功能圈、城郊生態(tài)功能圈、郊縣生態(tài)功能圈)的重要組成部分，也是重要的人居環(huán)境［7］，是生態(tài)城市的重要組成部分［8］。

隨著人類對生態(tài)環(huán)境研究的深入進(jìn)展，室內(nèi)空氣污染對人類健康的危害已受到全世界科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。美國一項室內(nèi)空氣質(zhì)量大會報告顯示，900余種化學(xué)污染物存在于室內(nèi)環(huán)境中，有些化學(xué)污染物濃度甚至比室外高出百余倍［7］。現(xiàn)代人平均有90%的時間生活在室內(nèi)，且2/3的疾病是由于室內(nèi)化學(xué)污染造成的［9］;在日本有30%的住宅由于有害化學(xué)物質(zhì)而引發(fā)“新居綜合癥”;在美國、英國、澳大利亞等其他工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都曾因室內(nèi)化學(xué)污染引起軍團(tuán)病爆發(fā)而導(dǎo)致人員的大量死亡;在我國，室內(nèi)化學(xué)污染致使每年11.1萬人死亡［10］。室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康有著最直接的影響，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量及其對人體健康的影響已成為目前城市環(huán)境問題的一個重要課題。

1.2 植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)

植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)是按照生態(tài)學(xué)原理利用植物對某種或某些化學(xué)物質(zhì)的忍耐或者積累能力，吸收、分解、轉(zhuǎn)化或固定環(huán)境中有毒害的污染物，用以治理環(huán)境污染，恢復(fù)所在生態(tài)系統(tǒng)再生能力以提高抗干擾水平的技術(shù)。植物對污染物的修復(fù)技術(shù)主要有:植物萃取技術(shù)、植物蒸發(fā)技術(shù)，植物固化技術(shù)［11］。植物被視為低碳節(jié)能的污染監(jiān)測和清除體系，植物利用陽光、二氧化碳作為能源和碳源，依賴根系攝取環(huán)境中的水分和營養(yǎng)物質(zhì)，同時，也會吸收環(huán)境中的毒害物質(zhì)，在相應(yīng)的代謝機(jī)制下，利用本身的防御系統(tǒng)抵御外界脅迫。

室內(nèi)化學(xué)污染是涉及到多方的環(huán)境問題，植物修復(fù)技術(shù)為生物技術(shù)之一，自上世紀(jì)80年代問世以來，具有操作簡單、自然、環(huán)保的特點，是符合公眾需求和心理的經(jīng)濟(jì)高效修復(fù)技術(shù)。不僅能改善居室污染狀況，防止化學(xué)污染，而且能夠美化生活環(huán)境、陶冶心里情趣，已成為修復(fù)凈化領(lǐng)域的研究熱點。

2 室內(nèi)甲醛污染的植物生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展

2.1 植物對甲醛生態(tài)修復(fù)凈化的機(jī)理機(jī)制研究

2.1.1 植物凈化甲醛的代謝機(jī)理機(jī)制

根據(jù)植物對甲醛的代謝凈化理論，葉片是植物吸收甲醛的主要器官，甲醛通過氣孔或皮孔被吸收，或者通過葉片角質(zhì)層滲透到植物內(nèi)部，由于甲醛易溶于水，進(jìn)而擴(kuò)散到葉片組織，經(jīng)過植物代謝被同化為其它組織成分，或者分解釋放出CO2。甲醛在高等植物體內(nèi)的代謝和轉(zhuǎn)化主要有同化過程和分解過程兩類。甲醛的同化過程主要有以下3個途徑:葉酸介導(dǎo)的反應(yīng)途徑、甲基化循環(huán)途徑、S-甲基甲硫氨酸循環(huán)途徑;分解過程主要是不依賴葉酸的反應(yīng)途徑。

日本研究人員研究了金綠蘿(Epipremnumaureum)對甲醛、丙酮和氨三種化學(xué)污染氣體的凈化能力，結(jié)果表明，這些污染氣體在滲透作用下進(jìn)入植株內(nèi)部，植物凈化能力受化學(xué)污染物種類的影響。Giese等人采用14C標(biāo)記甲醛的跟蹤實驗，研究甲醛在吊蘭(Chlorphytumcomosum)植株中的代謝，發(fā)現(xiàn)14C出現(xiàn)在植物的細(xì)胞組織內(nèi)，證明甲醛已經(jīng)在植物的體內(nèi)代謝并被轉(zhuǎn)化為其它有機(jī)成分，糖、有機(jī)酸、氨基酸等［12］。甲醛在植物體可以和谷胱甘肽形成加合物硫—羥甲基谷胱甘肽，同時在甲醛脫氫酶催化作用下生成硫—甲酸基谷胱甘肽，而后被硫—甲酸基谷胱甘肽水解酶水解生成谷胱甘肽與甲酸，甲酸最終由甲酸脫氫酶催化，氧化為 CO2和H2O［13－14］。Schmitz等用放射性14C 標(biāo)記甲醛在垂葉榕(Ficus benjamina)和金綠蘿中的代謝情況，實驗中發(fā)現(xiàn)不僅植物葉片，植物根莖也有14C蹤跡，可見，甲醛氣體經(jīng)過一系列反應(yīng)后最終進(jìn)入卡爾文循環(huán)［15］。Achkor等對源于擬南芥(Arabidopsis thaliana)的甲醛脫氫酶基因進(jìn)行遺傳操作，發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)的甲醛脫氫酶在甲醛代謝方面起到重要作用，轉(zhuǎn)基因植物甲醛脫氫酶的表達(dá)增強(qiáng)，對外源甲醛的攝取效率提高 25%［16］。

目前對于不依賴葉酸的反應(yīng)途徑中由谷胱苷肽參與的甲醛分解過程，和葉酸介導(dǎo)的反應(yīng)途徑中由四氫葉酸參與的同化途徑研究較多。通過以上研究，也證實了甲醛脫氫酶和甲酸脫氫酶是甲醛代謝過程中的關(guān)鍵酶。此外甲基化循環(huán)途徑、S-甲基甲硫氨酸循環(huán)途徑也可將甲醛同化為植物體內(nèi)的有機(jī)成分［17］。

2.1.2 植物根際微生物對甲醛的降解凈化機(jī)制

除了室內(nèi)植物對環(huán)境中甲醛的吸收凈化，植物根際微生物同樣也可以吸附降解甲醛。Wolverton B C的實驗發(fā)現(xiàn)，根系分泌物能夠促進(jìn)土壤中革蘭陰性菌群對甲醛的吸收分解和轉(zhuǎn)化。植物根表和近表土壤中存在大量微生物，其數(shù)量大大高于根外土壤。甲醛具有消毒和防腐的功能，但某些微生物對甲醛具有耐受性，且能氧化分解包括甲醛在內(nèi)的含C1的有機(jī)物，在降解化學(xué)污染物方面起著重要作用［18－19］。微生物對甲醛降解凈化總體上可歸納為兩種途徑:甲醛異化途徑，氧化甲醛最終生成CO2;甲醛同化途徑用以固定甲醛。

微生物對甲醛的異化途徑主要通過線性輔因子氧化途徑實現(xiàn)［20］，此外，核酮糖單磷酸的環(huán)狀氧化途徑也作為一些微生物對甲醛的分解方式。Peter W V等的實驗證明微生物對甲醛代謝過程中有甲醛脫氫酶的參與，通過對一些菌種的誘導(dǎo)發(fā)現(xiàn)在它們的生長環(huán)境中添加C1化合物，這些細(xì)菌體內(nèi)都會被誘導(dǎo)出依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸或者谷胱甘肽的甲醛脫氫酶［21］。Kondo T等的抗甲醛真菌試驗，甲醛脫氫酶同樣也表現(xiàn)出活性［22］。Sakai Y等的研究發(fā)現(xiàn)，甲醇脫氫酶能催化甲醇畢赤酵母體內(nèi)甲基甲酸鹽的產(chǎn)生，利于甲醛的分解［23］。

微生物對甲醛的同化作用在甲基營養(yǎng)菌中共有3個途徑:核酮糖單磷酸途徑、絲氨酸途徑和核酮糖二磷酸途徑［24］。核酮糖單磷酸途徑在低濃度甲醛時仍能發(fā)揮作用，能夠高效捕捉游離甲醛，此途徑所有反應(yīng)均為放能，同化效率比其它兩種途徑都高很多［25－26］。核酮糖單磷酸途徑在一些非甲基營養(yǎng)菌的甲醛脫毒過程中也會起到一定的作用［27－28］。

2.2 植物對甲醛污染生態(tài)修復(fù)的凈化功能研究

2.2.1 植物對甲醛污染修復(fù)凈化效果的研究

(1)國外對植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究

早在20世紀(jì)70年代，美國航天局已經(jīng)開始關(guān)注在諸如空間站的封閉環(huán)境中空氣的化學(xué)污染問題。Wolverton B C等人1984到1989年間系統(tǒng)地進(jìn)行了相關(guān)研究，對30種植物對室內(nèi)常見化學(xué)污染氣體的吸收能力進(jìn)行靜態(tài)熏蒸實驗。1984年，他們對中斑吊蘭(Chlorophytum comosum‘Vittatum’)、合果芋(Sygonium poaoph-yllum)、金綠蘿3種綠葉植物對甲醛的吸收凈化能力的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):吊蘭在封閉環(huán)境中對甲醛的吸收能力優(yōu)于合果芋、金綠蘿。其后，通過對30多種室內(nèi)植物對甲醛的凈化研究選擇出對甲醛凈化效果最好的10種植物［29－31］。這些實驗研究為其后觀葉植物對室內(nèi)甲醛的植物生態(tài)修復(fù)研究奠定了基礎(chǔ)。

Godish、Giese、Grossman等研究了吊蘭凈化甲醛過程中的各種影響因素，認(rèn)為吊蘭可以降低甲醛、苯等的污染程度［32］，吊蘭對甲醛凈化效率與時間沒有線性關(guān)系，1盆吊蘭在濃度為85mg/m3的甲醛環(huán)境中暴露24h可以吸收88%的甲醛，去除率為0.1μg/(g·h)［33］，除了葉片對甲醛的吸收，土壤也起到重要作用［34］。

Oyabu等進(jìn)行了金綠蘿—土壤盆栽系統(tǒng)對甲醛的凈化效果研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物對甲醛的凈化能力除了受葉片氣孔密度影響，植物與土壤的協(xié)同作用也會影響凈化效果［35］。Schmitz等選用垂葉榕和金綠蘿為試驗材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲醛凈化效率在光照條件下約為無光條件下的5倍時，這2種植物對甲醛凈化效率與植物氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)［36］。Song等的研究表明植物對甲醛的凈化能力會受到光照條件和植物數(shù)量的影響［37］。Kondo等的研究表明，植物對甲醛的凈化能力與氣體濃度、光照強(qiáng)度和蒸騰速度呈正相關(guān)［38］。

(2)國內(nèi)對植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究

在國內(nèi)，上海醫(yī)科大學(xué)和上海市植物園在植物對室內(nèi)污染空氣的凈化方面較早的進(jìn)行了研究，他們選用7種觀葉植物(吊蘭、心葉喜林芋(Philodendron scandens)、復(fù)葉波士頓腎蕨(Nephrolepisexaltata‘Marsalii’)、蔓生椒草(Peperomia precomens)、鵝掌柴(Schefflera arboricola)等)分別用甲醛、SO2、CO、CO2熏氣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些植物均可以凈化室內(nèi)空氣化學(xué)污染物［39］。2005年，中國室內(nèi)裝飾協(xié)會室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測中心首次發(fā)布常見室內(nèi)植物凈化室內(nèi)環(huán)境的研究測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)常春藤(Caulis Hedeae Sinensis)、綠蘿(Scindapsus aureus)、散尾葵(Chrysalidocarpus lutescens)等10種植物對甲醛、苯、氨等室內(nèi)有害污染物質(zhì)有明顯的凈化效果［40］。

國內(nèi)眾多研究發(fā)現(xiàn)，蔓生椒草、心葉喜林芋(Philodendron gloriosum)［41］、吊蘭［42］、愛玉合果芋(Syngoniufn podophyllufm‘Gold Allusion’)、黃金葛(Scindapsus aureus)、金邊虎尾蘭(Sansevieritrifasciat‘Laurentii’)、中斑吊蘭［43］、橡皮樹、蘆薈(Aloe veravar.chinensis)［44］、一串紅(Salviasplendens)、新幾內(nèi)亞鳳仙(Impatiens new guinea hybrides)、小麗花(Dahlia pinnata)、圓葉竹芋‘青蘋果’(Calathea rotundifolia‘Fasciata’)等［45］、馬拉巴栗(Pachira macrocarpa)［46］、仙人掌(Opuntia stricta)、龜背竹(Monstera deliciosa)對甲醛都有明顯的凈化效果，而且隨著甲醛濃度的改變，同種植物的凈化效果有很大差距，且大多數(shù)植物對甲醛的凈化率與環(huán)境中甲醛的濃度呈負(fù)相關(guān)［47］。

在相關(guān)研究中，通常采用以下幾種方式來表示植物的修復(fù)凈化效果:①吸收通量(uptakefluxes)，單位為μmol/s或μg/s，能夠直觀的表示植物對甲醛的去除量;②吸收速率(flux density)，也叫通量密度，單位為μmol/(m2·s)或μg/(m2·s);③沉降速度(deposition velocity)，單位為 mm/s或 cm/s，前兩者均會受不同背景氣體污染物濃度的影響，只適合同種氣體濃度植物凈化效果比較，后者可在不同甲醛濃度下衡量植物對其去除率。

綜合國內(nèi)外學(xué)者對不同植物凈化甲醛效果的研究，均證實這些植物具有不同程度的甲醛凈化能力，凈化作用包括葉片凈化和土壤凈化，且前者凈化更具持續(xù)性［48］。植物對甲醛的吸附率與葉的著生角度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣孔導(dǎo)度、莖葉形態(tài)、葉齡、粗糙度、表面分泌物相關(guān)［49－50］，此外，培養(yǎng)基質(zhì)、光照、濕度、溫等外界環(huán)境條件都會影響到植物對甲醛的凈化能力［51－52］。當(dāng)對甲醛的吸附達(dá)到最高點時就不再吸附，失去凈化能力［53］。

2.2.2 植物對甲醛生態(tài)修復(fù)抗性研究

植物的生理生化指標(biāo)能夠精確反映植物在凈化甲醛污染時的抗性機(jī)制，衡量植物對室內(nèi)化學(xué)污染的敏感度和耐受能力。

歐佳等以蘆薈、常春藤、君子蘭(Clivia)、吊蘭、綠蘿(Scindapsus aureus)為實驗材料，用熏蒸試驗測定植物對空氣中甲醛的凈化能力，同時通過測定質(zhì)膜透性、葉綠素含量判斷植物對甲醛的吸收大小與抗性強(qiáng)弱，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘆薈和吊蘭抗性能力較強(qiáng)，適合做甲醛吸收植物;綠蘿和常春藤甲醛吸收能力較強(qiáng)但抗性弱，適合做甲醛指示植物［54］。

徐迪用14C標(biāo)記的甲醛來研究植物在短時間(20min)內(nèi)對甲醛的吸收，在擬南芥植株內(nèi)發(fā)現(xiàn)，大量的絲氨酸和少量的有機(jī)酸中均含有14C，表明在較短時間內(nèi)甲醛代謝就開始在植株內(nèi)進(jìn)行［55］。

王利英等將白蟬(Gardenia jasminoides var.fortuniana Lind.)、香港鵝掌柴(Schefflera arboricola cv.Hongkong)、米仔蘭(Aglaia odorataLour.)等 8 種植物的成熟葉片分別置于密閉的容器中，設(shè)4個甲醛濃度，通過對供試植株形態(tài)指標(biāo)、質(zhì)膜透性、過氧化氫酶活性的測定，來研究植物對甲醛污染的抗性。結(jié)果顯示，這8種植物受甲醛的毒害程度與甲醛濃度、處理時間存在正相關(guān)［56］。

邸葆等在對綠蘿、花燭(Anthurium andreanum)、非洲菊(Gerberajamesonii)等5種植物進(jìn)行甲醛染毒處理后，解剖其葉片結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，受害植物葉片中海綿組織和柵欄組織的形態(tài)可以反映出植物對甲醛的抗性，抗性強(qiáng)的植物在受害后葉片海綿組織和柵欄組織細(xì)胞排列緊密，在一定程度上可以阻止有害氣體的進(jìn)入，而抗性弱的植物則表現(xiàn)為組織細(xì)胞排列松散，細(xì)胞間隙大［57］。

植物去除甲醛首先是莖葉的吸附，之后通過氣孔或皮孔吸收氣體，也可以通過葉片上表皮角質(zhì)層滲透進(jìn)入植物內(nèi)部，甲醛氣體經(jīng)由葉片內(nèi)部柵欄組織、海綿組織，進(jìn)而擴(kuò)散后進(jìn)入植物維管系統(tǒng)被運輸?shù)街参锲渌鞴俸徒M織進(jìn)行代謝［58－59］。

2.3 植物生態(tài)修復(fù)與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)對甲醛污染的凈化效果顯著，Wolverton和Sawada用植物聯(lián)合活性炭修復(fù)室內(nèi)化學(xué)污染物取得了很好的效果［60］。同樣，Kempeneer將植物接種惡臭假單胞菌TVA8后，植物凈化甲苯的時間大大降低［61］。費麗等篩選培育對甲醛氣體具有凈化作用的微生物菌種，并將其接種掛膜到生物膜填料塔，認(rèn)為生物法凈化低濃度甲醛具有良好的凈化效果［62］;將植物植物的葉際或根際接種凈化能力強(qiáng)的微生物，是強(qiáng)化植物生態(tài)修復(fù)的有效途徑。王雨群等將高分子材料與活性炭纖維(ACF)復(fù)合并負(fù)載模擬酶催化劑材料，其合成樣品具有持續(xù)高效催化凈化甲醛的能力［63］。劉艷麗使二氧化鈦溶膠結(jié)合馬拉巴粟用以凈化甲醛，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物的凈化效果更好。目前，植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要和和其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用主要在物理吸附技術(shù)、光催化技術(shù)、微生物修復(fù)方面，較單一的植物修復(fù)，均取得更好的凈化效果。

綜上所述，甲醛污染的植物凈化機(jī)理機(jī)制研究和修復(fù)技術(shù)應(yīng)用已取得許多成果:在常見室內(nèi)植物中篩選出能有效凈化室內(nèi)甲醛的植物;發(fā)現(xiàn)植物—土壤體系的協(xié)同作用是植物凈化甲醛的主要途徑;甲醛在植物體內(nèi)的代謝脫氫酶和甲酸脫氫酶起了關(guān)鍵作用，微生物對甲醛的代謝有同化和異化兩種途徑;基因工程技術(shù)可通過提高植物體內(nèi)相關(guān)酶活性的表達(dá)來提高甲醛凈化效果，植物生態(tài)修復(fù)和其它技術(shù)的結(jié)合可有效提高植物對甲醛的修復(fù)凈化效果。

3 展望

植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)在凈化室內(nèi)化學(xué)污染中發(fā)揮重要作用，但在研究中尚存在不足，仍需更深入的研究，如:(1)生命體征(植株生長階段、大小、生長狀態(tài)等)和環(huán)境(光照、溫度、濕度、土壤等)因子的對植物凈化甲醛效果的影響;(2)植物對甲醛的凈化效果和體內(nèi)相關(guān)酶類的表達(dá)量的相關(guān)聯(lián)系;(3)植物對甲醛氣體的持續(xù)凈化效果和耐受性;(4)植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)中甲醛凈化能力的量化評價標(biāo)準(zhǔn);除此之外，植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)和其它凈化技術(shù)的聯(lián)合研究有待于進(jìn)一步深入。

室內(nèi)的甲醛污染主要來自建筑以及裝修材料，即便合格的建材飾材，由于室內(nèi)空氣流通受限，甲醛也可能會超出國家標(biāo)準(zhǔn)，使甲醛污染的修復(fù)成為一個長期的課題。人們對室內(nèi)化學(xué)污染的廣泛關(guān)注，使植物生態(tài)修復(fù)成為一種控制室內(nèi)化學(xué)污染安全、有效、持久的技術(shù)，也將成為室內(nèi)空氣修復(fù)和室內(nèi)植物景觀研究的熱點和前沿科學(xué)之一。

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