不同光強的LED 紅藍光對綠蘿生長及其甲醛去除效果的影響

張紫研，楊 青，鄭紫凌，孔令翀，張俊文，方治國

（浙江工商大學環(huán)境科學與工程學院，浙江杭州 310018）

室內(nèi)環(huán)境與人們的健康密切相關，成年人約有80%～90%的時間是在室內(nèi)度過的，而一些行動不便的老人、嬰兒等可能有高達95%的時間生活在室內(nèi)[1-2]。目前，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量整體情況不容樂觀，世界范圍內(nèi)每年有超過500 萬人死于室內(nèi)空氣污染[3-6]。室內(nèi)環(huán)境中的污染物主要來源于家具和各種裝修材料，長期暴露在高濃度室內(nèi)污染物的環(huán)境下會嚴重影響人體健康[7]。甲醛在室溫下是一種無色有刺激性的氣體，為室內(nèi)主要污染物[8-9]，長期處于較高濃度甲醛環(huán)境中，會對人眼、鼻、呼吸道產(chǎn)生強烈的刺激作用[10-12]。此外，甲醛已被世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構列入致癌物清單。如何高效治理室內(nèi)空氣污染物，減少其對人們健康的不良影響已成為科研人員關注的重點方向[13]。

目前，可以使用物理、化學和生物等方法有效去除室內(nèi)環(huán)境中的甲醛，其中植物修復由于成本低廉、對環(huán)境友好、不產(chǎn)生二次污染而被廣泛關注[14-16]。研究表明，綠色植物可以高效吸收大部分氣態(tài)有機污染物，如綠蘿（Epipremnum aureum）、虎尾蘭（Sansevieria trifasciataPrain）等植物對甲醛有很好的去除作用[17-19]；白鶴芋（Spathiphyllum kochiiEngl.&K.Krause）和鵝掌柴[Schefflera octophylla(Lour.)Harms]可以有效去除室內(nèi)空氣中的苯系污染物[20-21]；花葉萬年 青（Dieffenbachia pictaLodd.）和非洲天門冬[Asparagus densiflorus(Kunth)Jessop]對2-乙基己醇有較好的去除作用[22]。植物去除室內(nèi)環(huán)境污染物的能力與其生長狀況密切相關，而光照是影響植物生長發(fā)育和光形態(tài)建成的主要因子[23-25]，不同光強會影響植物的光合作用、光形態(tài)建成及相關酶活性[26]。王滿蓮等發(fā)現(xiàn)強光可以顯著降低地楓皮（Illicium difengpiK.I.B.et K.I.M.）和塊根紫金牛（Ardisia corymbiferaMez var.tuberiferaC.Chen）的凈光合速率，增大秀麗海桐（Pittosporum pulchrumGagnep.）的光合速率[27]；Anastasia 等認為較高或較低的光強會影響葉面厚度、葉肉細胞層、葉綠素含量和葉面氣孔結構等[28]，不同光強也會導致植物體內(nèi)總抗氧化性及保護酶活性產(chǎn)生相應變化[29-30]；Porter等發(fā)現(xiàn)隨著光強增加，植物對甲苯的去除效率提高，可能是由于氣孔導度增加及植物更活躍的代謝活動導致的[17,31-32]。此外，有研究表明紅藍光對植物的生長發(fā)育和光合特性具有積極的作用[26,33-34]。因此，我們可以提出假設，不同光強的紅藍光會顯著影響綠蘿的生長狀態(tài)，那么不同光強紅藍光條件下種植的綠蘿對甲醛的去除效果是否有顯著差異？綠蘿對甲醛的去除效果與哪些因素密切相關呢？基于此，選取綠蘿為研究對象，研究了不同光強紅藍光對綠蘿生長特征及光合作用的影響機制，探究了不同光強紅藍光條件下種植的綠蘿的甲醛去除作用差異，揭示綠蘿的生長特征、光合作用與綠蘿對甲醛去除效果之間的關系，可為植物去除室內(nèi)污染物提供新的思路，具有重要的實際指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 植物來源

試驗選用綠蘿為供試植物，購買于杭州花鳥市場，從同一批購買的綠蘿苗中選取生長狀況良好、大小基本一致、株高15～20 cm 的進行試驗，將挑選出的綠蘿除去自帶的土壤后盆栽種植。

1.1.2 LED光源

試驗所用的紅藍光LED 燈購自杭州漢徽光電科技有限公司，選用的光強分別為25μmol·m-2·s-1（RB25）、50 μmol·m-2·s-1（RB50）、75 μmol·m-2·s-1（RB75）和100 μmol·m-2·s-1（RB100），利用這4種光強對綠蘿進行光照培養(yǎng)，比較這4種光強下綠蘿的生長特征及其對甲醛的去除效果差異。每個光處理組下放置5盆供試植物。培養(yǎng)溫度為25 ℃，光周期為12 h/12 h，培養(yǎng)時間為75 d。

1.1.3 甲醛去除熏蒸室

選用規(guī)格為60 cm×60 cm×60 cm 的密封性較好的玻璃箱（見圖1），箱子頂部的玻璃蓋可以拆卸，能順利把供試植物放入玻璃箱里，箱子正面和右側各有1個小圓孔，正面小圓孔用于通入甲醛氣體和甲醛濃度測定儀的傳感器伸入箱內(nèi)進行甲醛濃度的測定，右側小圓孔用于接通小風扇的電源線。在試驗之前箱體需要全部密封，以保證甲醛氣體不外散。

圖1 吸附試驗裝置示意圖

1.1.4 甲醛濃度測定儀器

甲醛濃度測定選用甲醛檢測儀（儀器型號為Interscan-4160-19.99 ppm，美國Interscan公司生產(chǎn)）。

1.2 綠蘿相關指標測定

1.2.1 鮮重、葉長、葉寬、莖長、根長、葉離心率和葉面積測定

試驗之前和光照培養(yǎng)結束后測定綠蘿初始鮮重、葉長、葉寬、莖長、根長、葉離心率和葉面積。用稱量法測定鮮重，用量尺測量葉長、葉寬、莖長和根長，葉離心率用以下公式進行計算，葉片離心率＝葉長/葉寬，用紙張稱重法測定葉面積[35]。

1.2.2 可溶性蛋白、丙二醛（Malondialdehyde,MDA）含量和酶活性測定

可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法進行測定[36]；MDA 可采用硫代巴比妥酸法進行測定[37]；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase,SOD）采用氮藍四唑法進行測定[38]；過氧化氫酶（Catalase,CAT）采用紫外吸收法進行測定[39]；甲醛脫氫酶（Formaldehyde dehydrogenase,FADH）利用酶促反應物對應的NADH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸還原態(tài)）的產(chǎn)生情況檢測相應的酶活性[40]。

1.2.3 葉綠素含量及葉綠素熒光特性測定

葉綠素含量采用丙酮法進行測定[41]。

葉綠素熒光參數(shù)采用脈沖幅度調(diào)制熒光計（Maxi-version of the Imaging-PAM,Heinz Walz GmbH,Germany）進行測定。在每種光照處理下選取3片綠蘿葉片，暗處理20 min 后，利用葉綠素熒光儀測定葉綠素熒光參數(shù)。將樣品放入樣品室，在實時熒光Ft穩(wěn)定后，按“F0（初始熒光）、Fm（最大熒光產(chǎn)量）”按鈕，儀器會自動給出熒光基本參數(shù)F0、Fm、Fv/Fm，其他熒光參數(shù)可根據(jù)以下公式計算：

1.3 綠蘿對甲醛的吸附試驗

用1.1.3 設計的熏蒸室進行甲醛吸附試驗，每個處理組選取3株具有代表性的植株，將綠蘿根部土壤去除，用聚四氟乙烯薄膜將植株根部密封包裹后放入玻璃箱中。用循環(huán)空氣泵向熏蒸室中通入甲醛，使其濃度穩(wěn)定在2.5±0.3 mg·m-3，其中1 個熏蒸室不放置綠蘿作為空白對照，其余3 個熏蒸室放入綠蘿，當熏蒸室中甲醛氣體保持平衡之后（大約10～15 min），開始進行甲醛吸附試驗，試驗時長為4 h，每隔1 h 測量1 次熏蒸室中的甲醛濃度（綠蘿吸附甲醛的試驗過程處于室內(nèi)自然光環(huán)境下）。

2 結果與分析

2.1 不同光強紅藍光種植的綠蘿對甲醛去除效果的影響

2.1.1 不同光強紅藍光種植的綠蘿對甲醛吸附量的影響

試驗采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗處理組之間的差異性。圖2 是不同光強紅藍光條件下種植的綠蘿對甲醛吸附量的影響。熏蒸室體積為0.216 m3，甲醛初始濃度為2.5±0.3 mg·m-3。由于玻璃箱的密封性和有機氣體的不穩(wěn)定性，經(jīng)過4 h 放置之后，對照處理組的甲醛濃度降為2.06 mg·m-3。放置了RB100、RB75、RB50 和RB25 條件下培養(yǎng)的綠蘿的熏蒸室經(jīng)過4 h 吸附試驗，玻璃箱中甲醛濃度分別為0.29 mg·m-3、0.70 mg·m-3、0.69 mg·m-3、0.75 mg·m-3。從圖中可以看出，不同條件下種植的綠蘿對甲醛的吸附量影響顯著，RB100 條件下種植的綠蘿對甲醛的吸附效果顯著高于RB25、RB50 和RB75 處理組（P＜0.05），而RB25、RB50、RB75 處理組之間沒有顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同光強紅藍光種植的綠蘿對甲醛濃度降低的影響

2.1.2 不同光強紅藍光種植的綠蘿對甲醛去除率的影響

圖3 是不同光強紅藍光條件下種植的綠蘿對甲醛去除率的影響，可以看出，各處理組綠蘿的甲醛去除率差異顯著。RB100、RB75、RB50、RB25處理組的甲醛去除率分別為87.20%、68.24%、69.40%、65.49%。從圖中可以看出，RB100 處理組綠蘿的甲醛去除率顯著高于RB25、RB50、RB75（P＜0.05），而RB25、RB50、RB75 處理組之間沒有顯著差異（P＞0.05）。結合2.1.1可知，與較低紅藍光強培養(yǎng)的綠蘿相比，較高紅藍光強培養(yǎng)的綠蘿對甲醛去除效果較好。

圖3 不同光強紅藍光種植的綠蘿對甲醛去除率的影響

2.2 不同光強紅藍光對綠蘿生長特征的影響

2.2.1 不同光強紅藍光對綠蘿鮮重、莖長、根長的影響

圖4 是不同光強紅藍光對綠蘿生長特征的影響，試驗前不同光照處理組的綠蘿鮮重、莖長、根長基本一致；試驗后，不同處理組的綠蘿鮮重差異顯著?？梢钥闯觯琑B100 處理組綠蘿鮮重為205.6 g，顯著高于RB25、RB50、RB75（P＜0.05），但RB25、RB50、RB75 處理組之間的綠蘿鮮重沒有顯著差異（P＞0.05），其鮮重分別為87.8 g、112.8 g、106.6 g；在莖長和根長方面，RB100 處理組的綠蘿莖長、根長分別為23.7 cm、18.8 cm，顯著高于RB25 和RB50 處理組（P＜0.05），RB25、RB50、RB75處理組綠蘿的莖長分別為18.8 cm、22.0 cm、19.4 cm，根長分別為13.3 cm、13.1 cm、16.5 cm。綠蘿的鮮重、莖長、根長在較高的紅藍光強條件下表現(xiàn)較好，并隨著紅藍光強增大，綠蘿的鮮重、莖長、根長也呈增大趨勢。

圖4 不同光強紅藍光下綠蘿的鮮重、莖長和根長比較

2.2.2 不同光強紅藍光對綠蘿葉片特征的影響

圖5 為不同光強紅藍光對綠蘿葉片特征的影響。試驗前不同光照處理的綠蘿平均葉長、葉寬、葉離心率和葉面積基本一致；試驗后，RB100、RB50處理組綠蘿的葉長和葉離心率顯著高于BR75、RB25 處理組（P＜0.05），RB25、RB50、RB75、RB100 的葉長分別為8.68 cm、10.37 cm、9.21 cm、10.32 cm，葉離心率分別為1.56、1.72、1.62、1.73。不同處理組的葉寬沒有顯著差異（P＞0.05），RB25、RB50、RB75、RB100 處理組綠蘿的葉寬分別為5.55 cm、6.02 cm、5.69 cm、5.95 cm。RB100 處理組綠蘿的葉面積為1 749.13 cm2，顯著高于RB25、RB50 和RB75（P＜0.05），RB25、RB50 和RB75的葉面積分別為906.81 cm2、1 267.5 cm2和1 180.14 cm2，且 這3 組處理之間沒有顯著差異（P＞0.05）。綠蘿的葉片特征在較高的紅藍光強條件下表現(xiàn)較好，隨著紅藍光強增大，綠蘿的葉面積呈增大趨勢，葉長、葉寬、葉離心率變化并不顯著。

圖5 不同光強紅藍光下綠蘿的葉片特征

2.3 不同光強紅藍光對綠蘿生化特性的影響

2.3.1 不同光強紅藍光對綠蘿可溶性蛋白和葉綠素含量的影響

由圖6 可見，RB25、RB50、RB75、RB100 處理組綠蘿的可溶性蛋白含量沒有顯著差異（P＞0.05），分別為12.96mg·g-1、14.78 mg·g-1、14.82 mg·g-1、15.39 mg·g-1。RB100 處理組綠蘿的葉綠素含量顯著高于RB25、RB50、RB75（P＜0.05），RB25、RB50、RB75、RB100處理組綠蘿的葉綠素含量分別為1.95 mg·g-1、2.07 mg·g-1、2.00 mg·g-1、2.54 mg·g-1，并且隨著紅藍光強增大，綠蘿葉綠素含量也隨之升高。

圖6 不同光強紅藍光下綠蘿的蛋白質(zhì)和葉綠素含量比較

2.3.2 不同光強紅藍光對綠蘿SOD、MDA、CAT、FADH的影響

由圖7 可以看出，綠蘿經(jīng)過RB25、RB50、RB75、RB100 光照條件培養(yǎng)后，其SOD 酶活性分別為55.96 U·g-1、82.51 U·g-1、37.71 U·g-1、54.22 U·g-1，RB100 條件下的綠蘿SOD 酶活性顯著低于RB50（P＜0.05）。RB100 光照條件下的綠蘿MDA 含量為0.0071 μmol·g-1，顯著低于RB75（P＜0.05），RB25、RB50、RB75處理組的綠蘿MDA含量分別為0.005 0 μmol·g-1、0.006 1 μmol·g-1、0.009 7 μmol·g-1。

圖7 不同光強紅藍光下綠蘿SOD、MDA、CAT和FADH活性

綠蘿CAT 隨紅藍光強增強大致呈下降趨勢，RB25、RB50、RB75、RB100 條件下的綠蘿CAT 活性分別為138.59 U·(g·min)-1、117.2 U·(g·min)-1、119.69 U·(g·min)-1、102.09 U·(g·min)-1，RB100 光照條件下的綠蘿CAT 活性顯著低于RB25（P＜0.05）。隨著光強的增加，F(xiàn)ADH 活性沒有明顯的變化規(guī)律，RB50、RB100條件下的綠蘿FADH活性分別為1.48U·g-1、1.55 U·g-1，顯著低于RB25（1.92 U·g-1）、RB75（2.09 U·g-1）。

2.4 不同光強紅藍光對綠蘿葉綠素熒光參數(shù)的影響

表1是不同光強紅藍光對綠蘿熒光參數(shù)的影響，4個處理的熒光參數(shù)F0沒有顯著差異（P＞0.05）。在RB100 光照條件下，綠蘿的Fm、Fv/Fm、Fv/F0分別為0.473、0.710、2.463，均為各處理組中的最大值。RB100條件下的綠蘿熒光參數(shù)Fm顯著高于RB50（P＜0.05），F(xiàn)v/Fm和Fv/F0顯著高于RB50和RB75（P＜0.05）。隨著紅藍光強增大，綠蘿的Fv/Fm、Fv/F0呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，并且在紅藍光100 μmol·m-2·s-1條件下達到最大值，說明綠蘿在較高光強條件下的光合性能比低光強條件下的好。

表1 不同光強紅藍光對綠蘿熒光參數(shù)的影響

2.5 不同光強紅藍光種植的綠蘿生長特征與其對甲醛去除之間的關系

利用光強原始數(shù)據(jù)矩陣的主成分分析載荷圖考察綠蘿的各項生理參數(shù)與甲醛去除效率之間的關系。如圖8 所示，將甲醛去除率表示點與原點連成1 條線，其他點與原點的連線與此線成銳角的表示綠蘿的該項生理參數(shù)與甲醛去除相關性較大，與此線成鈍角表示綠蘿的該項生理參數(shù)與甲醛去除相關性不大。分析發(fā)現(xiàn)，不同光強紅藍光種植的綠蘿鮮重、葉面積、葉綠素、蛋白質(zhì)與甲醛去除效率相關性最大，其他Fm、Fv/Fm、Fv/F0、莖長等參數(shù)與甲醛去除相關性稍弱，而綠蘿的CAT 活性與甲醛去除之間相關性不大。此外，綠蘿的甲醛脫氫酶與甲醛去除之間相關性也并不顯著，這可能是由于吸附試驗的時間較短（4 h），而較短時間內(nèi)綠蘿主要通過植物的表皮去除甲醛，酶活性的影響并不顯著。

圖8 不同光強紅藍光條件下的綠蘿對甲醛去除的主成分分析載荷圖

3 小結與討論

以LED為照明系統(tǒng)，研究了不同光強（25、50、75、100 μmol·m-2·s-1）紅藍光對綠蘿生長特征及光合作用的影響機制，探究了不同光強紅藍光條件下種植的綠蘿對甲醛去除效果的影響，揭示了綠蘿生長特征和光合作用等與甲醛去除之間的關系。結果發(fā)現(xiàn)，RB100處理組的綠蘿生長情況最好，其鮮重、莖長、根長和葉面積顯著高于其他處理組，綠蘿的鮮重、莖長、根長隨著光照增強呈增大趨勢，并且綠蘿的可溶性蛋白和葉綠素含量在RB100 條件下達到最大，分別為15.39 mg·g-1和2.54 mg·g-1。此結果與Cheng 等研究結果相似，其研究表明，光照增強會促進植物主莖生長和側枝伸長[42]；相比其他3種較低光強，280 μmol·m-2·s-1紅藍光能提高紅莧（Amaranthus mangostanusL.）和多葉蔬菜莧的產(chǎn)量，且其體內(nèi)葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素含量增加[43]；隨著紅藍光照強度的增加，油菜（Brassica napusL.）幼苗的株高、莖粗、根長、葉面積和干重逐漸增加[44]。本研究表明，在光強100 μmol·m-2·s-1以下的紅藍光條件下，光照增強顯著有利于綠蘿的生長。

綠蘿在較低光強（RB25、RB50）下的SOD 酶活性高于較高光強（RB100、RB75）下的SOD。CAT 酶活性隨光強增大呈下降趨勢，在RB25 條件下最高，在RB100 條件下最低。綠蘿的MDA 含量排序為RB75＞RB100＞RB50＞RB25。Gong 等發(fā)現(xiàn)在較低的光照強度下柴胡（Bupleurum chinense）的SOD 和CAT活性較高，MDA 含量較低，與本結果相似[45]，這可能是因為在低光強下，更多的能量被分配給光保護，并且產(chǎn)生了很強的抗氧化性[46]。本研究表明，在100 μmol·m-2·s-1條件下綠蘿的抗氧化能力表現(xiàn)較好。

葉綠素熒光與光合作用密切相關，F(xiàn)m的降低和F0的升高表明植物受到了環(huán)境脅迫[47]，F(xiàn)v/Fm、Fv/F0可以反映植物是否受到光抑制[48]。綠蘿的F0隨光強增大呈先增加后減小的趨勢，在RB75 條件下達到最大，其Fm、Fv/Fm、Fv/F0值隨光強增大呈先減小后增加的趨勢，在RB100 達到最大。已有研究表明，西番蓮（Passiflora caeruleaL.）的Fm、Fv/Fm、Fv/F0值均隨光強增大而增加[49]；但高粱[Sorghum bicolor(L.) Moench]的Fv/Fm隨光照強度增加而降低[50]，這與植物適應光環(huán)境能力的差異有關。本結果表明，RB25 條件下的綠蘿受光強脅迫嚴重，RB100 條件下光合活性最大，利于綠蘿進行光合作用。

在試驗中RB100 的較高光照條件下種植的綠蘿的甲醛去除率最大，達到87.20%，這與Porter 等研究結果相似，當光強為35 μmol·m-2·s-1時，前3 h 的大王黛粉葉對甲苯的去除率僅為6.17%，當光強提高到90 μmol·m-2·s-1時，甲苯去除率增加了5倍，達到33%[32]；Schmitz 研究發(fā)現(xiàn)，光照條件下綠蘿和垂葉榕對甲醛的吸收量是黑暗條件下的5 倍[51]；夾竹桃（Nerium indicumMill.）對甲醛的吸收速率隨光強增大而增加[52]。因此，較適宜的光照條件能夠有利于綠蘿的生長代謝和光合作用，更加有利于其對室內(nèi)污染物的有效去除[19,52]。

本試驗結果表明，不同光強紅藍光條件下種植的綠蘿鮮重、葉面積、葉綠素、蛋白質(zhì)與甲醛去除效率顯著相關。在光強為100 μmol·m-2·s-1的紅藍光條件下，綠蘿對甲醛的去除效果最佳，去除率達到87.20%，并且該條件下綠蘿的鮮重、根長、莖長、葉面積等達到最佳生長效果，CAT 酶活性最低，葉綠素含量及熒光參數(shù)Fm、Fv/Fm、Fv/F0值最大，綠蘿的光合作用效率最高。