植物凈化室內(nèi)空氣污染的研究進(jìn)展

賈洪增 李祥 張思源 翟慧聰 賈陳忠

摘要：通過對國內(nèi)外植物凈化室內(nèi)空氣污染研究成果的分析，比較了物理、化學(xué)和植物三種凈化方法改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的差異。總結(jié)了當(dāng)前植物凈化室內(nèi)空氣污染研究所存在的實(shí)驗(yàn)方法缺陷和研究問題盲區(qū)，指出了室內(nèi)盆栽植物在實(shí)際選用中存在的問題，提出了新的研究展望，為進(jìn)一步探究植物在室內(nèi)空氣污染凈化的應(yīng)用及研究提供重要參考。

關(guān)鍵詞：植物;凈化;空氣污染

中圖分類號(hào)：X511

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）4-0078-04

1 室內(nèi)空氣污染現(xiàn)狀及其危害

目前，“室內(nèi)空氣污染”已被稱為繼“煤煙型污染”和“光化學(xué)煙霧型污染”后的第三污染時(shí)期。據(jù)報(bào)道室內(nèi)空氣的污染程度是室外的5～20倍[1]，按其污染物性質(zhì)主要分為化學(xué)型、物理型和生物型三種類別，分別來源于建筑裝潢材料和日常生活用品的揮發(fā)物、家用電子電磁設(shè)備的輻射、人與寵物攜帶的細(xì)菌螨蟲等[2]。

室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重?fù)p害人體健康，容易引發(fā)“建筑物綜合癥”或?qū)е赂鞣N呼吸系統(tǒng)疾病;空氣污染物中的甲醛、苯、氯化烴等有機(jī)氣體化合物還有不同程度的致癌風(fēng)險(xiǎn)[3]。室內(nèi)空氣污染對人體健康損害具有緩慢性、累積性和隱秘性等特點(diǎn)，導(dǎo)致人們極易忽略其威脅。當(dāng)室內(nèi)空氣污染對人體的損害經(jīng)長時(shí)間累積后，健康問題才會(huì)逐漸凸顯，而出現(xiàn)健康問題的人也很少能夠?qū)⒉∫蚺c室內(nèi)空氣污染聯(lián)系起來[4]。

吳莉莉等[5]通過研究室內(nèi)空氣污染所致的重大健康影響，室內(nèi)空氣污染所致的輕微、有限的健康影響以及其他需要重點(diǎn)關(guān)注的問題表明：與白血病、哮喘和慢性阻塞性肺疾?。–OPD）相關(guān)的室內(nèi)空氣污染物，主要有苯系物、甲醛、環(huán)境煙草煙霧（ETS）和過敏原性生物顆粒物等;與白血病、哮喘和不孕流產(chǎn)致病相關(guān)的分子機(jī)制和關(guān)鍵事件，主要有DNA損傷與修復(fù)、基因的表達(dá)和調(diào)控和分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（VR signaling system）等;同時(shí)討論了環(huán)境污染危險(xiǎn)度評價(jià)方法，指出系統(tǒng)引進(jìn)和研究劑量一反應(yīng)為基礎(chǔ)的生物學(xué)（BBDR，biologicallybased dose- response model）模型在解決環(huán)境空氣污染物低劑量長時(shí)間暴露的危險(xiǎn)度評價(jià)問題的作用，以及尋找新“關(guān)鍵事件”（key events）能夠促進(jìn)分子毒理學(xué)與分子流行病學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和推廣應(yīng)用。

2 空氣污染凈化技術(shù)

與室外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境的封閉性特點(diǎn)導(dǎo)致空氣的流通性困難，而新鮮空氣的缺乏使得室內(nèi)空氣污染的整治難度大大增加[4]。目前關(guān)于凈化室內(nèi)空氣污染方法主要包括的物理凈化、化學(xué)凈化和植物凈化。2003年，龔圣等[6]對室內(nèi)空氣凈化技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道，指出利用常規(guī)活性炭和活性炭纖維（ACF）的吸附凈化法容易產(chǎn)生二次污染;采用靜電技術(shù)、負(fù)離子技術(shù)和低溫等離子技術(shù)會(huì)產(chǎn)生對人體有害的臭氧，并且對一些特定污染物如細(xì)菌、VOCs和細(xì)微顆粒物的凈化效果有待驗(yàn)證;使用光催化凈化和膜分離凈化是目前最具發(fā)展前景的室內(nèi)空氣凈化技術(shù)，但因新材料研發(fā)較為困難且成本過高，因此阻礙了其大面積的應(yīng)用推廣。以上這些物理化學(xué)的凈化技術(shù)尚不成熟，大部分還處于研究階段。而且采用物理化學(xué)方法凈化空氣成本過高，難以在家庭和辦公場合推廣。相比之下室內(nèi)空氣污染的植物凈化方法，具有廉價(jià)、高效、安全和實(shí)用等特點(diǎn)，而且還能滿足大眾的審美需求，因此隨著人們綠色和諧觀念意識(shí)的提高，室內(nèi)盆栽植物被廣泛應(yīng)用到家庭、辦公和其他公共場所。而且很多研究[7-9]表明，植物能夠凈化由甲醛、苯系物、VOCs、細(xì)微顆粒物、微生物等造成的室內(nèi)空氣污染，且植物凈化具有持久性、美觀性、高效性、實(shí)用性等特點(diǎn)。

3 植物凈化空氣機(jī)理

植物凈化室內(nèi)空氣污染的方式主要有兩種，一類是植物通過自身的吸附固定和吸收代謝作用以實(shí)現(xiàn)凈化效果;另一類是寄生于植物體上的微生物以及土壤對空氣污染物有凈化能力。

3.1 植物的自身凈化

3.1.1 吸附固定

植物能夠通過莖、葉表面吸附空氣中的懸浮顆粒污染物。植物吸附能力的強(qiáng)弱與葉面形態(tài)和粗糙度、葉片表面絨毛、葉著生角度以及葉表面分泌物、潤濕性、表面自由能及其大小有關(guān)[10]。周杰良等[11]通過定量實(shí)驗(yàn)研究表明，植物滯塵能力的差異與葉片的表面特性、葉片著生角度、冠狀等有密切關(guān)系，同時(shí)指出對于一般的葉片，分形維數(shù)越大，葉面越粗糙，單位滯塵量越大。植物的角質(zhì)層上覆蓋著相當(dāng)多的超微結(jié)構(gòu)和化學(xué)多樣性蠟[12]，有國外學(xué)者經(jīng)研究證實(shí)[13，14]，植物表面的蠟質(zhì)層厚度、數(shù)量、分布以及結(jié)構(gòu)是影響植物吸附空氣污染物的重要影響因素。Barber等[15]研究表明，植物與空氣間的阻力層在植物吸收污染物方面也起著一定的作用，即使在空氣側(cè)向阻力很高的情況下，植物側(cè)向阻力對不同多氯聯(lián)苯同系物的吸收速率也有重要影響。

3.1.2 吸收代謝

Giese等[16]通過放射性同位素14C標(biāo)記甲醛氣體來跟蹤甲醛在吊蘭中的轉(zhuǎn)化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)谷胱甘肽（Glutathione）依賴的甲醛脫氫酶（Formaldehyde Dehy-drogenases）的活性比不依賴谷胱甘肽的甲醛脫氫酶活性高，而且放射性同位素14C的活性主要出現(xiàn)在有機(jī)酸和糖中。Schmitz等[17]用14C標(biāo)記甲醛氣體，跟蹤甲醛在綠蘿、垂葉榕葉中的代謝過程路徑，在植物的葉片、莖和根都發(fā)現(xiàn)有14C的存在，由此推測14C標(biāo)記的甲醛氣體在甲醛脫氫酶和甲酸脫氫酶（Formic Dehydrogen-ases）的作用下最終被氧化成C02，然后經(jīng)過卡爾文循環(huán)（Calvin Cycle）代謝。Hanson，A.D.和Roje，S.[18]通過研究發(fā)現(xiàn)高等植物代謝和轉(zhuǎn)化甲醛可能通過不依賴葉酸的反應(yīng)（Folate - independent reaction）、葉酸介導(dǎo)的反應(yīng)（Folate - mediated reactions）、甲基化循環(huán)（Activated methyl cycle）、S-甲基甲硫氨酸循環(huán)（S-methylmethionine cycle），認(rèn)為甲醛同谷胱苷肽、精氨酸（ Arginine）、天冬酰氨（Asparagine）和四氫葉酸（Tetra-hydrofolate）形成加合物，并通過植物體內(nèi)不同代謝途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)移。其中不依賴葉酸的反應(yīng)是甲醛分解的過程，葉酸介導(dǎo)的反應(yīng)、甲基化循環(huán)和S-甲基甲硫氨酸循環(huán)則是甲醛的同化過程利用植物凈化室內(nèi)甲醛污染的研究進(jìn)展[19]。

3.2 其他要素對空氣的凈化

3.2.1 土壤

植物生活的土壤構(gòu)成物質(zhì)復(fù)雜多樣，而且不同植物對于生存土質(zhì)要求不同。何海萍等[20]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)珍珠巖、河砂、菌渣、黃壤土對甲醛有較好的吸收作用;許桂芳[21]通過研究也得知硅藻土、草炭、樹皮和鋸木屑這四盆栽基質(zhì)在種植植物前后均對甲醛氣體有較好的凈化能力。其他常見盆栽基質(zhì)中的泥炭可以吸附脫除污染氣體中的HF、NH。、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯等有害氣體[22];竹炭和活性炭則對空氣中的甲醛氣體有較好的吸附作用[23—25]。根據(jù)污染物的化學(xué)性質(zhì)，土壤中的水分對甲醛、氨氮等易溶于水的有害物質(zhì)具有良好的吸收凈化作用。

3.2.2 微生物

土壤中含有多種微生物，這些微生物對不同空氣污染物具有不同凈化效果。許桂芳[21]在研究不同盆栽基質(zhì)對凈化甲醛效果的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在種植植物前基質(zhì)吸收甲醛的能力從大到小依次為硅藻土>草炭>樹皮>鋸木屑，而在種植植物后基質(zhì)吸收甲醛的能力從大到小依次為硅藻土>樹皮>草炭>鋸木屑。表明種植后的盆栽基質(zhì)在植物根系的作用下，其對甲醛的凈化效果均有不同程度的提高，反映了植物的根系對各種基質(zhì)產(chǎn)生作用的差異;根系對基質(zhì)的作用，主要是依靠根部微生物的作用，說明了選擇恰當(dāng)基質(zhì)對形成盆栽植物系統(tǒng)的重要性。

4 植物凈化室內(nèi)空氣的研究進(jìn)展

最早開展植物凈化室內(nèi)空氣污染的是美國航天局（NASA）的Wolverton[26]，他通過樹脂玻璃模擬密封箱進(jìn)行一系列關(guān)于植物凈化污染氣體的熏蒸實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了對甲醛、苯、二氧化碳吸收凈化效果最好的10種植物分別是： 波斯頓蕨 （Nephrolepis exaltata' Bostoniensis'）、菊花（Dendranthema x grandiflorum）、羅比親王海棗（Phonix roebelenii）、竹蕉（Dracaena dere-mensis‘Janet Craig'）、雪佛里椰子（Chamaedorea se-ifritzii）、常春藤（Hedera helix）、垂葉榕（Ficus benjami-na）、白鶴芋（Spathiphyllum wallisi1‘Clevelandii'）、黃椰子（Chrysalidocarpus lutescens）和中斑香龍血樹（Dra-caena fragrans‘Massangeana'）。因?yàn)槎嗳庵参镌谝归g吸收C02的獨(dú)特生理方式，Raza SH等[27]對幾種多肉植物去除室內(nèi)C02進(jìn)行研究，結(jié)果證明不同品種在不同季節(jié)對C02的吸收能力存在差異。

國內(nèi)研究開展較晚。黃愛葵等[28]考慮密封艙材料以及濕度對植物吸收甲醛的影響而改良了Dr.Wolverton的試驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前人相反，證明中斑吊蘭吸收甲醛的效果最差，這與實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)吊蘭吸收甲醛的能力較強(qiáng)但受害嚴(yán)重，植物還能夠通過葉片的氣孔向大氣中釋放各種揮發(fā)性有機(jī)物，包括異戊二乙烯、萜烯類、乙醇、甲醚和醚類等。劉艷菊等[29]通過對兩種苯凈化效果好的植物大花蕙蘭“黃金小神童”（Cymbidium Golden Elf）和燕子掌（Crassula portulacea）進(jìn)行不同濃度苯氣的長期熏蒸，確定它們對苯氣污染物均具有較好的耐性，它們的生理參數(shù)和抗氧化系統(tǒng)具有各自的先天優(yōu)勢，且苯氣熏蒸對這種優(yōu)勢無明顯影響。吳仁燁等[30]通過比較在自然狀態(tài)和放置植物源負(fù)離子發(fā)生器兩種狀態(tài)下，對玻璃室內(nèi)的負(fù)離子、正離子和安倍指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在玻璃室內(nèi)放置植物源負(fù)離子發(fā)生器可顯著提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

5 展望

大量研究證實(shí)，能夠凈化室內(nèi)空氣污染的植物種類很多，但由于人們對室內(nèi)空氣污染的危害了解不夠深刻[31]，室內(nèi)空氣污染問題仍未得到根本解決。其次是室內(nèi)盆栽植物種類繁多，不同植物品種在不同時(shí)間對不同空氣污染物的凈化效果各不相同[32]。而試驗(yàn)研究報(bào)道的植物及其生長狀況又各不相同，難以確定植物凈化能力的最佳時(shí)期。另外，試驗(yàn)研究所使用的污染物種類[33]不同以及濃度的差異，必然會(huì)對試驗(yàn)植物的生理活動(dòng)產(chǎn)生影響。而試驗(yàn)研究大都在模擬試驗(yàn)箱或試驗(yàn)室中展開，與實(shí)際生活環(huán)境存在一定的差異。因此，如何使試驗(yàn)環(huán)境更接近實(shí)際生活，是獲取準(zhǔn)確試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵[34]。

目前，國外植物凈化的研究重點(diǎn)是關(guān)于植物在復(fù)合與動(dòng)態(tài)污染環(huán)境下的凈化效果，以及植物對空氣污染物的凈化作用機(jī)理的研究，但這類研究在國內(nèi)開展相對較少。室內(nèi)盆栽植物對空氣凈化的研究集中在以下幾個(gè)方面：一是對植物凈化污染氣體機(jī)理的研究，解析植物對污染物的凈化方式和凈化流程;二是需要加強(qiáng)室內(nèi)空氣的復(fù)合動(dòng)態(tài)污染和植物對空氣污染物抗性的研究[10，35]。在實(shí)際生活中空氣污染具有動(dòng)態(tài)性和復(fù)合性的特點(diǎn)，單一的實(shí)驗(yàn)室條件下，難以確定某一污染物的存在是否會(huì)影響植物對其他污染物的吸收凈化能力;植物對不同污染物的抗性差異也決定能否選用該植物進(jìn)行室內(nèi)空氣凈化，或者選用該植物進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測。三是通過生物技術(shù)培育植物新品種，提高植物凈化能力的研究。

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