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

魯敏，趙潔，馮蘭東，劉功生，閆紅梅，趙學(xué)明

(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) 就業(yè)指導(dǎo)工作處，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，環(huán)境污染問題愈加嚴(yán)峻。繼“煤煙型”和“光化學(xué)煙霧型”污染期之后，當(dāng)今人類已進(jìn)入以“室內(nèi)化學(xué)污染”為標(biāo)志的第三污染期［1］。

目前，室內(nèi)化學(xué)污染的程度往往要比室外更嚴(yán)重，研究表明:室內(nèi)污染物濃度平均高于室外5～10倍，甚至某些污染物的含量高于室外近百倍［2］?，F(xiàn)代人每天有3/4 以上的時間都生活在室內(nèi)，室內(nèi)空氣質(zhì)量和人們的健康密切相關(guān)。據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)顯示:全世界約有近一半的人深受室內(nèi)化學(xué)污染危害，每年有10 萬人由于室內(nèi)化學(xué)污染死于哮喘等疾病，呼吸道疾病中有35.7%是由室內(nèi)化學(xué)污染所導(dǎo)致的［3－4］。室內(nèi)化學(xué)污染已經(jīng)列入對公眾健康危害最大的五種環(huán)境因素之一，成為目前城市環(huán)境面臨的主要問題［5］。

由苯及苯系物引起的一系列室內(nèi)化學(xué)污染問題已日益引起人們的廣泛關(guān)注和重視，苯是室內(nèi)空氣污染的三大隱形殺手之一，并已成為室內(nèi)化學(xué)污染的主要污染物，具強(qiáng)致癌和致畸形能力，嚴(yán)重威脅著人類生命安全和健康［6］。因此，尋求解決室內(nèi)苯污染的有效治理措施已成為室內(nèi)生態(tài)環(huán)境改善亟待解決的一項重要課題。目前，國內(nèi)外學(xué)者專家針對苯及其它室內(nèi)化學(xué)污染的凈化和修復(fù)技術(shù)等方面進(jìn)行了許多相關(guān)研究［7－8］。其中，室內(nèi)植物不僅對室內(nèi)苯污染物具有很強(qiáng)的凈化修復(fù)能力，而且具有重要的吸碳放氧功能，尤其具有安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、持續(xù)的凈化效果［9－10］。因此，在多種凈化修復(fù)技術(shù)中，室內(nèi)植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)已成為治理室內(nèi)苯污染的重要手段和根本途徑，也是室內(nèi)生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究的核心內(nèi)容和熱點(diǎn)［11］。

1 室內(nèi)苯污染及植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)

1.1 室內(nèi)苯污染概況

1.1.1 室內(nèi)苯污染來源及危害

室內(nèi)空氣中的苯主要來源于室內(nèi)建筑裝飾材料油漆、涂料、膠粘劑及各種添加劑等，此外，生活及辦公用品以及室外的工業(yè)廢氣、汽車尾氣等也是潛在污染源［12］。

苯污染是危害最嚴(yán)重的室內(nèi)化學(xué)污染之一。1993 年，世界衛(wèi)生組織(WHO)將苯確定為強(qiáng)致癌物，苯對人體的危害主要表現(xiàn)在刺激呼吸道、中毒、血液疾病、免疫力下降及生殖系統(tǒng)及發(fā)育缺陷等方面［13］。人長期處于苯污染的室內(nèi)環(huán)境中，會出現(xiàn)頭痛、失眠、記憶力減退、神經(jīng)衰弱等癥狀，嚴(yán)重時會引起病變甚至導(dǎo)致人體器官的癌變，誘發(fā)白血病等。

1.1.2 室內(nèi)苯污染現(xiàn)狀及凈化技術(shù)

近年來，室內(nèi)裝修裝飾的大量涌現(xiàn)，裝飾材料不合格、建筑裝修市場不規(guī)范、管理監(jiān)督機(jī)制不完善、公眾認(rèn)識不足等問題都在進(jìn)一步導(dǎo)致室內(nèi)苯污染物不斷超標(biāo)［14］。

據(jù)調(diào)查，我國大多數(shù)新裝修室內(nèi)環(huán)境都存在不同程度的苯污染，苯超標(biāo)率十分嚴(yán)重［15］。徐國鋒等對河南省濮陽市裝修居室的室內(nèi)空氣中甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氡的濃度進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示苯超標(biāo)率達(dá)14.3%，僅次于甲醛，苯污染十分嚴(yán)重［16］。成東艷等對70 家新裝修居室中的苯、甲苯、二甲苯、甲醛物質(zhì)進(jìn)行了空氣質(zhì)量監(jiān)測。結(jié)果表明:樣本中室內(nèi)空氣苯合格率僅為29%，苯濃度超標(biāo)最高達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)47.7 倍［17］。楊辛等對江西省11 個城市抽樣的563 個樣本進(jìn)行了室內(nèi)空氣中苯系物含量的調(diào)查，結(jié)果顯示，有61.46%的樣本存在苯超標(biāo)［18］。甄世利對山西省大同市52 個新裝修居室空氣中的苯系物進(jìn)行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)83%的居室苯含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)［19］。

目前，室內(nèi)苯污染的凈化治理方式有通風(fēng)換氣、物理吸附、化學(xué)吸收、光催化、生物處理等［20］。這些方法可快速凈化室內(nèi)苯污染氣體，但因會產(chǎn)生二次污染或者存在影響人們健康的副作用等缺點(diǎn)使應(yīng)用受到不同程度的局限。另外，苯污染氣體的釋放是一個持續(xù)長期的過程，其凈化存在治理周期長、花費(fèi)成本高的特點(diǎn)。因此，如何長期、安全、有效的控制和降解室內(nèi)苯污染成為人們亟需解決的問題。

1.2 植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)

室內(nèi)苯污染的植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)是指利用某些特定植物通過植物的吸收、降解、揮發(fā)等自身的代謝作用去除室內(nèi)空氣中的苯的凈化修復(fù)方式。這種方法具有安全、經(jīng)濟(jì)、潛力大和可持續(xù)等特點(diǎn)，是符合公眾心理需求的綠色高效修復(fù)技術(shù)［21－22］。植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)不僅可以達(dá)到凈化室內(nèi)化學(xué)污染物的目的，而且兼具改善室內(nèi)空氣質(zhì)量、美化人類居室生活環(huán)境等功能，同時植物本身具有姿態(tài)美和豐富的文化內(nèi)涵，可以起到提高人們生活情趣的作用。植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)已成為修復(fù)凈化領(lǐng)域的核心內(nèi)容和研究熱點(diǎn)［23］。

2 植物凈化修復(fù)苯污染的機(jī)理機(jī)制

2.1 植物對苯污染的吸收積累與代謝

植物主要通過吸收、積累、轉(zhuǎn)化、降解等過程去除空氣中的污染物，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)環(huán)境的目的。植物代謝污染物的途徑主要有降解、轉(zhuǎn)化固化和同化超同化等［24－25］。降解是指植物通過過氧化物酶、脫鹵酶、硝基還原酶等酶類自生物質(zhì)來分解進(jìn)入植物體內(nèi)的污染物或者是通過代謝途徑降解污染物的方式［26］。轉(zhuǎn)化固化是植物經(jīng)過自身的生理過程把污染物的形態(tài)由一種轉(zhuǎn)化成另外一種的現(xiàn)象。同化超同化是植物將污染物中對自身有益的營養(yǎng)元素吸收并最終轉(zhuǎn)變成促進(jìn)植物生長的自身物質(zhì)的過程。植物吸收污染物的器官主要有葉片和根［27］。

Ugrekhelidze 等利用14C 標(biāo)記的實(shí)驗方法，對植物葉片代謝氣態(tài)苯和甲苯的過程進(jìn)行了研究［28］。研究發(fā)現(xiàn)苯和甲苯通過氣孔進(jìn)入植物體后，植物細(xì)胞對氣體進(jìn)行識別并釋放特異蛋白質(zhì)同化或分解污染物。苯和甲苯在植物體內(nèi)的代謝過程首先是苯環(huán)在一種以多酚氧化酶為主的酶系催化氧化作用下發(fā)生斷裂，然后斷裂后的碳原子被同化或分解為兩種形態(tài):一部分碳原子轉(zhuǎn)化為植物細(xì)胞中的有機(jī)酸，進(jìn)而合成氨基酸;另一部分碳原子被轉(zhuǎn)化為二氧化碳，最終通過植物的代謝過程排出體外。

2.2 植物葉片和根際微生物對苯污染降解的影響

大量植物修復(fù)空氣污染的研究已經(jīng)證實(shí)，植物葉片和根系微生物在植物吸收凈化污染物的過程中起著重要作用。

Marta 等通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，存在于植物葉片中的膠狀物質(zhì)對污染物有一定的吸附能力［29］。Ugrekhelidze 等以無菌菠菜葉片為試材，研究了植物對苯的凈化機(jī)制，結(jié)果表明:葉片主要通過氣孔吸收苯系物，進(jìn)入植物體后，細(xì)胞中酶的活性決定了苯系物的轉(zhuǎn)化過程［28］。對小分子量組分碎片進(jìn)行分析表明，由碳原子組成的苯系物主要被轉(zhuǎn)化合成為難以揮發(fā)的有機(jī)酸化合物。黃愛葵以愛玉合果芋(Syngonium podophyllum)、黃金葛(Scindapsus aureun)等植物為試材，研究植物對苯的吸收凈化效果時發(fā)現(xiàn):植物的吸收凈化能力可能與其自身的氣孔密度有一定關(guān)聯(lián)，氣孔密度越大，對苯的吸收率和吸收速率也越高［30］。

除葉片外，植物根系微生物在植物凈化修復(fù)苯污染過程中也起到重要作用。鄧瑜衡等以常春藤(Hedera nepalensis)、黃金葛等植物為試材，研究在苯氣體持續(xù)熏氣后盆栽植物土壤中根系微生物的變化，結(jié)果表明:持續(xù)熏氣后，土壤中細(xì)菌和真菌等各種微生物數(shù)量都明顯增多［31］。一方面是因為苯污染脅迫致使植物分泌物增多，為土壤中各種微生物提供了更有利的生存和生長的環(huán)境，加快了土壤中原本存在的微生物的生長和繁殖;另一方面盆栽土壤外的外源微生物的加入也使得微生物數(shù)量增多。微生物的增多進(jìn)一步促進(jìn)了污染物的降解，增強(qiáng)了盆栽植物對苯污染的凈化能力。Wolverton 通過實(shí)驗證實(shí)植物與基質(zhì)、根系微生物所構(gòu)成的系統(tǒng)在植物吸收凈化苯污染中發(fā)揮主要作用，且土壤中與植物共生的微生物吸收污染物的能力經(jīng)過代代繁殖后得到不斷加強(qiáng)［32］。Wood 等通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)某些土壤中的微生物在植物凈化苯污染時起著重要的吸收作用［33］。Orwell 以白鶴芋(Spathiphyllum floribundum)、千年木(Cordyline fruticosa)和黃金葛等植物為試材，研究了根系微生物在植物吸收苯的過程中所起的作用，結(jié)果表明:根系微生物是植物能夠連續(xù)進(jìn)行吸收有害氣體的主要原因之一［34］。

3 植物對苯污染的生態(tài)修復(fù)凈化功能

3.1 植物對苯污染的吸收凈化能力

對室內(nèi)植物凈化苯及苯系物的系統(tǒng)研究最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)80 年代。Wolverton 等對白鶴芋、千年木、非洲菊(Gerbera jamesonii)、萬年青(Rohdea japonica)等常見室內(nèi)植物采用靜態(tài)熏蒸法進(jìn)行苯脅迫試驗，研究了這些植物對室內(nèi)苯污染氣體的吸收凈化能力，結(jié)果表明:萬年青、銀邊朱焦(Codyline terminalis‘Warneckei’)、白鶴芋和洋常春藤(Hedera helix)，具有較強(qiáng)的凈化苯污染能力［35－36］。國內(nèi)有關(guān)植物凈化室內(nèi)化學(xué)污染的研究起步較晚，且研究多集中在植物吸收凈化甲醛能力方面，對凈化苯污染的研究近年剛剛開始。中國室內(nèi)裝飾協(xié)會室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測中心在2005 年首次發(fā)布了常見盆栽植物凈化室內(nèi)環(huán)境的研究測試結(jié)果:散尾葵(Chrysalidocarpus lutescens )、常春藤、綠蘿(Scindapsus aureun)等10 種植物吸收凈化甲醛、苯、氨等室內(nèi)污染氣體效果明顯［37］。國內(nèi)外眾多研究表明，白鶴芋、虎尾蘭(Sansevieria zeylanica)、大花天竺葵(Pelargonium domesticum)、橡皮樹(Ficus elastica)、山蘇花巢蕨(Neottopteris nidus)、綠蘿、玉海棠(Kalanchoe blossfeldiana)、龍血樹(Dracaena fragrans)、愛玉合果芋、君子蘭(Clivia miniata)、金邊瑞香(Daphne odora var.marginata)等植物對室內(nèi)苯污染均有不同程度的吸收和凈化能力［38－39］。

植物對苯污染氣體的吸收具有可持續(xù)的特點(diǎn)。Wood 對白鶴芋、瓔珞椰子 (Chamaedorea cataractarum)等植物進(jìn)行了吸收室內(nèi)化學(xué)污染氣體的連續(xù)性測試，研究了植物對苯等室內(nèi)污染氣體的吸收效果，結(jié)果表明:室內(nèi)植物能在24 h 內(nèi)連續(xù)吸收高于標(biāo)準(zhǔn)3～10 倍的污染氣體，并且能力不減退［40］。黃愛葵等對愛玉合果芋、黃金葛等4 種常見室內(nèi)盆栽觀賞植物采用改良Wolverton 的密閉倉熏氣法，研究了植物凈化苯及甲醛的吸收特性，結(jié)果表明:受試植物對苯的吸收能力從大到小依次為:愛玉合果芋＞金邊虎尾蘭(Sansevieria trifasciata‘Laurentii’)＞黃金葛＞吊蘭;同時，隨著時間的延長，4 種植物對苯的吸收能力均呈下降趨勢，但在潔凈空氣中放置24～72 h 后，4 種植物對苯的吸收能力均可恢復(fù)到原來的水平，即一定條件下，植物對苯的吸收能力可恢復(fù)并能被重復(fù)利用［41］。

Cornejo 等研究結(jié)果表明:植物對污染氣體的吸收具有選擇性［42］。通過對吊蘭(Chlorophytum comosum)、長壽花(Narcissus jonquilla)、橡皮樹等6種常見室內(nèi)植物采用密閉倉熏蒸法，研究了植物對苯等污染氣體的凈化吸收能力，結(jié)果表明:長壽花、橡皮樹、大花天竺葵、吊蘭對苯的吸收能力較強(qiáng)，但在苯與甲苯的混合氣體吸收試驗中，長壽花幾乎沒有吸收甲苯，植物對不同的污染氣體吸收效果不同。

3.2 植物對苯污染的耐受能力

在污染環(huán)境下，植物會發(fā)生多種生理適應(yīng)性變化，相應(yīng)生理指標(biāo)如葉綠素含量、質(zhì)膜相對透性、過氧化物酶含量、丙二醛含量等也會發(fā)生不同程度變化，這些變化能夠精確衡量植物對室內(nèi)化學(xué)污染的敏感度和耐受能力，反映植物在凈化苯污染時的抗性機(jī)制。不同種植物對苯污染的耐受能力和適應(yīng)性不同。

陸長根等對木立蘆薈(Aloe arborescens)、玉吊鐘(Kalanchoe fedtschenkoi)、絨毛掌(Echeveria pulvinata)和蓮花掌(Aeonium arboretum)4 種植物采用熏蒸法苯脅迫處理，測定植物在苯氣體脅迫下原生質(zhì)膜透性以及葉綠素含量的變化，結(jié)果表明:木立蘆薈和玉吊鐘的抗性較強(qiáng)而凈化能力較差;蓮花掌和絨毛掌的凈化能力較強(qiáng)而抗性較差［43］。

黃愛葵對愛玉合果芋、黃金葛、金邊虎尾蘭、吊蘭四種植物在苯脅迫下的細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了觀察研究，透射電鏡結(jié)果表明:經(jīng)苯處理的幾種植物體內(nèi)細(xì)胞中的葉綠體產(chǎn)生形變，內(nèi)部淀粉粒數(shù)量增多體積增大，且基粒及基粒片層呈不規(guī)則排列，甚至有一些細(xì)胞發(fā)生了質(zhì)壁分離的現(xiàn)象;其中吊蘭受傷害最嚴(yán)重，金邊虎尾蘭次之，愛玉合果芋受害最?。?0］。

陸小清等對冬青屬植物中的7 個品種進(jìn)行了苯脅迫處理，研究了冬青屬(Ilex)植物對苯的凈化能力和在苯脅迫下的耐受能力，結(jié)果表明:7 種(品種)冬青樹種凈化苯污染的能力和耐苯脅迫的能力均存在顯著差異;在苯脅迫與甲醛脅迫時，植物的生理指標(biāo)變化大致相似;大別山冬青(Ilex dabeishannensis)和刺葉冬青(Ilex bioritsensis)耐苯脅迫能力較強(qiáng)，‘藍(lán)少女’冬青(Ilex meserveae‘Blue girl’)、鈍齒冬青和全緣冬青次之，冬青(Ilex chinensis)和‘金寶石’冬青(Ilex crenta‘Golden gem’)耐苯脅迫能力較弱［44］。張衡鋒等研究了在長期高濃度苯脅迫下兩種冬青葉綠體ATPase 的活性變化，用透射電子顯微鏡觀察葉片細(xì)胞ATPase 超微結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化發(fā)現(xiàn):受高濃度苯脅迫后，供試植物細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞間隙、細(xì)胞核上ATPase 活性均明顯提高，尤其是液泡膜和葉綠體膜上ATPase 活性提高更明顯，大別山冬青ATPase 活性提高明顯高于冬青，即大別山冬青的抗苯脅迫能力更強(qiáng)［45］。

4 應(yīng)用與展望

植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)對室內(nèi)苯污染凈化效果顯著，室內(nèi)植物在吸收凈化污染氣體發(fā)揮其生態(tài)功能的同時，兼具美化居室的功能，室內(nèi)植物給人們營造健康和優(yōu)美的居室環(huán)境，對于改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著不可替代的作用。盡管植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)具有安全、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的局限性。大多數(shù)植物修復(fù)過程較緩慢，且修復(fù)效果易受栽植養(yǎng)護(hù)管理水平的制約。所以目前植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)多與其他修復(fù)技術(shù)如物理化學(xué)吸附技術(shù)、生物處理技術(shù)、光催化技術(shù)等聯(lián)合應(yīng)用，以縮短修復(fù)時間，提高修復(fù)效率。

室內(nèi)植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)已成為治理室內(nèi)化學(xué)污染的重要手段和根本途徑，目前相關(guān)研究多集中在植物對甲醛的凈化能力上，針對苯污染凈化修復(fù)能力的研究較少，仍處于起步階段，許多方面有待進(jìn)一步深入研究:(1)系統(tǒng)全面研究植物凈化苯污染的能力，制定評價標(biāo)準(zhǔn)，量化植物的凈化能力;(2)加強(qiáng)植物凈化苯污染的持續(xù)性研究;(3)深入對植物的苯吸收機(jī)理機(jī)制和代謝途徑的研究;(4)展開復(fù)合污染的植物修復(fù)研究，篩選出針對多種室內(nèi)空氣污染物的凈化修復(fù)植物;(5)研究植物的苯脅迫響應(yīng)基因，通過基因工程的研究增強(qiáng)植物凈化修復(fù)苯污染的能力或培育高效修復(fù)型植物新品種等。此外，植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)和其它修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用也有待于進(jìn)一步深入研究。

室內(nèi)苯污染危害程度高，污染源多樣，對其凈化修復(fù)研究是一復(fù)雜、艱巨而長期的課題，植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)具有很高的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益，具有廣泛的市場和應(yīng)用前景，將成為室內(nèi)苯污染治理、室內(nèi)生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究的前沿和熱點(diǎn)。

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