室内甲醛污染的植物生态修复技术研究进展

鲁敏，裴翡翡，刘顺腾

(1.山东建筑大学艺术学院，山东济南250101;2.山东建筑大学齐鲁建筑文化与景观艺术研究基地，山东济南250101)

0 引言

现代人类已经继第一污染期——煤烟污染和第二污染期——光化学烟雾污染后，进入第三污染期——室内化学污染［1］。甲醛为室内污染三大隐形杀手之一，也已成为室内头号化学污染物［2］。据国家室内环境质检中心、中国室内环境监测工作委员会公布的2010年全国新装修房屋甲醛污染调查统计情况，甲醛平均超标达到了69.7%，较上年增加了9.7个百分点［3］;甲醛也被世界卫生组织确定为致癌和致畸物，它能引发鼻窦癌和鼻腔癌，诱发白血病，是潜在的强致突变物，公认的变态反应原［4］。甲醛也已成为室内最普遍化学污染物［5］，严重威胁着人们的生命安全和健康。

由室内甲醛污染造成的危害已引起人们的广泛关注，如何安全、有效的控制室内污染，已经成为亟待解决的问题。目前，国内外针对甲醛和其它污染气体的净化开展了大量研究，其中植物生态修复作为一种经济、实用、安全、持续、简便的技术成为化学污染修复的重要措施和手段［6］，成为居室生态环境质量建设的核心内容和研究热点。

1 室内生态环境与植物生态修复技术

1.1 室内生态环境

城市居民与其居室环境的相互作用所形成的结构和功能关系，称为室内生态。现代生态学和居室研究的结合，要求生态居室的建立。居室生态功能圈是城市五大功能圈(居室生态功能圈、社区生态功能圈、中心城区功能圈、城郊生态功能圈、郊县生态功能圈)的重要组成部分，也是重要的人居环境［7］，是生态城市的重要组成部分［8］。

随着人类对生态环境研究的深入进展，室内空气污染对人类健康的危害已受到全世界科学家们的广泛关注。美国一项室内空气质量大会报告显示，900余种化学污染物存在于室内环境中，有些化学污染物浓度甚至比室外高出百余倍［7］。现代人平均有90%的时间生活在室内，且2/3的疾病是由于室内化学污染造成的［9］;在日本有30%的住宅由于有害化学物质而引发“新居综合症”;在美国、英国、澳大利亚等其他工业发达的国家都曾因室内化学污染引起军团病爆发而导致人员的大量死亡;在我国，室内化学污染致使每年11.1万人死亡［10］。室内空气质量对人体健康有着最直接的影响，室内环境质量及其对人体健康的影响已成为目前城市环境问题的一个重要课题。

1.2 植物生态修复技术

植物生态修复技术是按照生态学原理利用植物对某种或某些化学物质的忍耐或者积累能力，吸收、分解、转化或固定环境中有毒害的污染物，用以治理环境污染，恢复所在生态系统再生能力以提高抗干扰水平的技术。植物对污染物的修复技术主要有:植物萃取技术、植物蒸发技术，植物固化技术［11］。植物被视为低碳节能的污染监测和清除体系，植物利用阳光、二氧化碳作为能源和碳源，依赖根系摄取环境中的水分和营养物质，同时，也会吸收环境中的毒害物质，在相应的代谢机制下，利用本身的防御系统抵御外界胁迫。

室内化学污染是涉及到多方的环境问题，植物修复技术为生物技术之一，自上世纪80年代问世以来，具有操作简单、自然、环保的特点，是符合公众需求和心理的经济高效修复技术。不仅能改善居室污染状况，防止化学污染，而且能够美化生活环境、陶冶心里情趣，已成为修复净化领域的研究热点。

2 室内甲醛污染的植物生态修复研究进展

2.1 植物对甲醛生态修复净化的机理机制研究

2.1.1 植物净化甲醛的代谢机理机制

根据植物对甲醛的代谢净化理论，叶片是植物吸收甲醛的主要器官，甲醛通过气孔或皮孔被吸收，或者通过叶片角质层渗透到植物内部，由于甲醛易溶于水，进而扩散到叶片组织，经过植物代谢被同化为其它组织成分，或者分解释放出CO2。甲醛在高等植物体内的代谢和转化主要有同化过程和分解过程两类。甲醛的同化过程主要有以下3个途径:叶酸介导的反应途径、甲基化循环途径、S-甲基甲硫氨酸循环途径;分解过程主要是不依赖叶酸的反应途径。

日本研究人员研究了金绿萝(Epipremnumaureum)对甲醛、丙酮和氨三种化学污染气体的净化能力，结果表明，这些污染气体在渗透作用下进入植株内部，植物净化能力受化学污染物种类的影响。Giese等人采用14C标记甲醛的跟踪实验，研究甲醛在吊兰(Chlorphytumcomosum)植株中的代谢，发现14C出现在植物的细胞组织内，证明甲醛已经在植物的体内代谢并被转化为其它有机成分，糖、有机酸、氨基酸等［12］。甲醛在植物体可以和谷胱甘肽形成加合物硫—羟甲基谷胱甘肽，同时在甲醛脱氢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与甲酸，甲酸最终由甲酸脱氢酶催化，氧化为 CO2和H2O［13－14］。Schmitz等用放射性14C 标记甲醛在垂叶榕(Ficus benjamina)和金绿萝中的代谢情况，实验中发现不仅植物叶片，植物根茎也有14C踪迹，可见，甲醛气体经过一系列反应后最终进入卡尔文循环［15］。Achkor等对源于拟南芥(Arabidopsis thaliana)的甲醛脱氢酶基因进行遗传操作，发现植物体内的甲醛脱氢酶在甲醛代谢方面起到重要作用，转基因植物甲醛脱氢酶的表达增强，对外源甲醛的摄取效率提高 25%［16］。

目前对于不依赖叶酸的反应途径中由谷胱苷肽参与的甲醛分解过程，和叶酸介导的反应途径中由四氢叶酸参与的同化途径研究较多。通过以上研究，也证实了甲醛脱氢酶和甲酸脱氢酶是甲醛代谢过程中的关键酶。此外甲基化循环途径、S-甲基甲硫氨酸循环途径也可将甲醛同化为植物体内的有机成分［17］。

2.1.2 植物根际微生物对甲醛的降解净化机制

除了室内植物对环境中甲醛的吸收净化，植物根际微生物同样也可以吸附降解甲醛。Wolverton B C的实验发现，根系分泌物能够促进土壤中革兰阴性菌群对甲醛的吸收分解和转化。植物根表和近表土壤中存在大量微生物，其数量大大高于根外土壤。甲醛具有消毒和防腐的功能，但某些微生物对甲醛具有耐受性，且能氧化分解包括甲醛在内的含C1的有机物，在降解化学污染物方面起着重要作用［18－19］。微生物对甲醛降解净化总体上可归纳为两种途径:甲醛异化途径，氧化甲醛最终生成CO2;甲醛同化途径用以固定甲醛。

微生物对甲醛的异化途径主要通过线性辅因子氧化途径实现［20］，此外，核酮糖单磷酸的环状氧化途径也作为一些微生物对甲醛的分解方式。Peter W V等的实验证明微生物对甲醛代谢过程中有甲醛脱氢酶的参与，通过对一些菌种的诱导发现在它们的生长环境中添加C1化合物，这些细菌体内都会被诱导出依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸或者谷胱甘肽的甲醛脱氢酶［21］。Kondo T等的抗甲醛真菌试验，甲醛脱氢酶同样也表现出活性［22］。Sakai Y等的研究发现，甲醇脱氢酶能催化甲醇毕赤酵母体内甲基甲酸盐的产生，利于甲醛的分解［23］。

微生物对甲醛的同化作用在甲基营养菌中共有3个途径:核酮糖单磷酸途径、丝氨酸途径和核酮糖二磷酸途径［24］。核酮糖单磷酸途径在低浓度甲醛时仍能发挥作用，能够高效捕捉游离甲醛，此途径所有反应均为放能，同化效率比其它两种途径都高很多［25－26］。核酮糖单磷酸途径在一些非甲基营养菌的甲醛脱毒过程中也会起到一定的作用［27－28］。

2.2 植物对甲醛污染生态修复的净化功能研究

2.2.1 植物对甲醛污染修复净化效果的研究

(1)国外对植物生态修复技术的研究

早在20世纪70年代，美国航天局已经开始关注在诸如空间站的封闭环境中空气的化学污染问题。Wolverton B C等人1984到1989年间系统地进行了相关研究，对30种植物对室内常见化学污染气体的吸收能力进行静态熏蒸实验。1984年，他们对中斑吊兰(Chlorophytum comosum‘Vittatum’)、合果芋(Sygonium poaoph-yllum)、金绿萝3种绿叶植物对甲醛的吸收净化能力的试验结果发现:吊兰在封闭环境中对甲醛的吸收能力优于合果芋、金绿萝。其后，通过对30多种室内植物对甲醛的净化研究选择出对甲醛净化效果最好的10种植物［29－31］。这些实验研究为其后观叶植物对室内甲醛的植物生态修复研究奠定了基础。

Godish、Giese、Grossman等研究了吊兰净化甲醛过程中的各种影响因素，认为吊兰可以降低甲醛、苯等的污染程度［32］，吊兰对甲醛净化效率与时间没有线性关系，1盆吊兰在浓度为85mg/m3的甲醛环境中暴露24h可以吸收88%的甲醛，去除率为0.1μg/(g·h)［33］，除了叶片对甲醛的吸收，土壤也起到重要作用［34］。

Oyabu等进行了金绿萝—土壤盆栽系统对甲醛的净化效果研究，结果发现植物对甲醛的净化能力除了受叶片气孔密度影响，植物与土壤的协同作用也会影响净化效果［35］。Schmitz等选用垂叶榕和金绿萝为试验材料，发现当甲醛净化效率在光照条件下约为无光条件下的5倍时，这2种植物对甲醛净化效率与植物气孔导度呈正相关［36］。Song等的研究表明植物对甲醛的净化能力会受到光照条件和植物数量的影响［37］。Kondo等的研究表明，植物对甲醛的净化能力与气体浓度、光照强度和蒸腾速度呈正相关［38］。

(2)国内对植物生态修复技术的研究

在国内，上海医科大学和上海市植物园在植物对室内污染空气的净化方面较早的进行了研究，他们选用7种观叶植物(吊兰、心叶喜林芋(Philodendron scandens)、复叶波士顿肾蕨(Nephrolepisexaltata‘Marsalii’)、蔓生椒草(Peperomia precomens)、鹅掌柴(Schefflera arboricola)等)分别用甲醛、SO2、CO、CO2熏气，结果发现这些植物均可以净化室内空气化学污染物［39］。2005年，中国室内装饰协会室内环境监测中心首次发布常见室内植物净化室内环境的研究测试结果，发现常春藤(Caulis Hedeae Sinensis)、绿萝(Scindapsus aureus)、散尾葵(Chrysalidocarpus lutescens)等10种植物对甲醛、苯、氨等室内有害污染物质有明显的净化效果［40］。

国内众多研究发现，蔓生椒草、心叶喜林芋(Philodendron gloriosum)［41］、吊兰［42］、爱玉合果芋(Syngoniufn podophyllufm‘Gold Allusion’)、黄金葛(Scindapsus aureus)、金边虎尾兰(Sansevieritrifasciat‘Laurentii’)、中斑吊兰［43］、橡皮树、芦荟(Aloe veravar.chinensis)［44］、一串红(Salviasplendens)、新几内亚凤仙(Impatiens new guinea hybrides)、小丽花(Dahlia pinnata)、圆叶竹芋‘青苹果’(Calathea rotundifolia‘Fasciata’)等［45］、马拉巴栗(Pachira macrocarpa)［46］、仙人掌(Opuntia stricta)、龟背竹(Monstera deliciosa)对甲醛都有明显的净化效果，而且随着甲醛浓度的改变，同种植物的净化效果有很大差距，且大多数植物对甲醛的净化率与环境中甲醛的浓度呈负相关［47］。

在相关研究中，通常采用以下几种方式来表示植物的修复净化效果:①吸收通量(uptakefluxes)，单位为μmol/s或μg/s，能够直观的表示植物对甲醛的去除量;②吸收速率(flux density)，也叫通量密度，单位为μmol/(m2·s)或μg/(m2·s);③沉降速度(deposition velocity)，单位为 mm/s或 cm/s，前两者均会受不同背景气体污染物浓度的影响，只适合同种气体浓度植物净化效果比较，后者可在不同甲醛浓度下衡量植物对其去除率。

综合国内外学者对不同植物净化甲醛效果的研究，均证实这些植物具有不同程度的甲醛净化能力，净化作用包括叶片净化和土壤净化，且前者净化更具持续性［48］。植物对甲醛的吸附率与叶的着生角度、内部结构、气孔导度、茎叶形态、叶龄、粗糙度、表面分泌物相关［49－50］，此外，培养基质、光照、湿度、温等外界环境条件都会影响到植物对甲醛的净化能力［51－52］。当对甲醛的吸附达到最高点时就不再吸附，失去净化能力［53］。

2.2.2 植物对甲醛生态修复抗性研究

植物的生理生化指标能够精确反映植物在净化甲醛污染时的抗性机制，衡量植物对室内化学污染的敏感度和耐受能力。

欧佳等以芦荟、常春藤、君子兰(Clivia)、吊兰、绿萝(Scindapsus aureus)为实验材料，用熏蒸试验测定植物对空气中甲醛的净化能力，同时通过测定质膜透性、叶绿素含量判断植物对甲醛的吸收大小与抗性强弱，实验结果发现，芦荟和吊兰抗性能力较强，适合做甲醛吸收植物;绿萝和常春藤甲醛吸收能力较强但抗性弱，适合做甲醛指示植物［54］。

徐迪用14C标记的甲醛来研究植物在短时间(20min)内对甲醛的吸收，在拟南芥植株内发现，大量的丝氨酸和少量的有机酸中均含有14C，表明在较短时间内甲醛代谢就开始在植株内进行［55］。

王利英等将白蝉(Gardenia jasminoides var.fortuniana Lind.)、香港鹅掌柴(Schefflera arboricola cv.Hongkong)、米仔兰(Aglaia odorataLour.)等 8 种植物的成熟叶片分别置于密闭的容器中，设4个甲醛浓度，通过对供试植株形态指标、质膜透性、过氧化氢酶活性的测定，来研究植物对甲醛污染的抗性。结果显示，这8种植物受甲醛的毒害程度与甲醛浓度、处理时间存在正相关［56］。

邸葆等在对绿萝、花烛(Anthurium andreanum)、非洲菊(Gerberajamesonii)等5种植物进行甲醛染毒处理后，解剖其叶片结构发现，受害植物叶片中海绵组织和栅栏组织的形态可以反映出植物对甲醛的抗性，抗性强的植物在受害后叶片海绵组织和栅栏组织细胞排列紧密，在一定程度上可以阻止有害气体的进入，而抗性弱的植物则表现为组织细胞排列松散，细胞间隙大［57］。

植物去除甲醛首先是茎叶的吸附，之后通过气孔或皮孔吸收气体，也可以通过叶片上表皮角质层渗透进入植物内部，甲醛气体经由叶片内部栅栏组织、海绵组织，进而扩散后进入植物维管系统被运输到植物其它器官和组织进行代谢［58－59］。

2.3 植物生态修复与其他技术的联合应用

植物生态修复技术对甲醛污染的净化效果显著，Wolverton和Sawada用植物联合活性炭修复室内化学污染物取得了很好的效果［60］。同样，Kempeneer将植物接种恶臭假单胞菌TVA8后，植物净化甲苯的时间大大降低［61］。费丽等筛选培育对甲醛气体具有净化作用的微生物菌种，并将其接种挂膜到生物膜填料塔，认为生物法净化低浓度甲醛具有良好的净化效果［62］;将植物植物的叶际或根际接种净化能力强的微生物，是强化植物生态修复的有效途径。王雨群等将高分子材料与活性炭纤维(ACF)复合并负载模拟酶催化剂材料，其合成样品具有持续高效催化净化甲醛的能力［63］。刘艳丽使二氧化钛溶胶结合马拉巴粟用以净化甲醛，实验结果发现植物的净化效果更好。目前，植物生态修复技术主要和和其他技术的联合应用主要在物理吸附技术、光催化技术、微生物修复方面，较单一的植物修复，均取得更好的净化效果。

综上所述，甲醛污染的植物净化机理机制研究和修复技术应用已取得许多成果:在常见室内植物中筛选出能有效净化室内甲醛的植物;发现植物—土壤体系的协同作用是植物净化甲醛的主要途径;甲醛在植物体内的代谢脱氢酶和甲酸脱氢酶起了关键作用，微生物对甲醛的代谢有同化和异化两种途径;基因工程技术可通过提高植物体内相关酶活性的表达来提高甲醛净化效果，植物生态修复和其它技术的结合可有效提高植物对甲醛的修复净化效果。

3 展望

植物生态修复技术在净化室内化学污染中发挥重要作用，但在研究中尚存在不足，仍需更深入的研究，如:(1)生命体征(植株生长阶段、大小、生长状态等)和环境(光照、温度、湿度、土壤等)因子的对植物净化甲醛效果的影响;(2)植物对甲醛的净化效果和体内相关酶类的表达量的相关联系;(3)植物对甲醛气体的持续净化效果和耐受性;(4)植物生态修复技术中甲醛净化能力的量化评价标准;除此之外，植物生态修复技术和其它净化技术的联合研究有待于进一步深入。

室内的甲醛污染主要来自建筑以及装修材料，即便合格的建材饰材，由于室内空气流通受限，甲醛也可能会超出国家标准，使甲醛污染的修复成为一个长期的课题。人们对室内化学污染的广泛关注，使植物生态修复成为一种控制室内化学污染安全、有效、持久的技术，也将成为室内空气修复和室内植物景观研究的热点和前沿科学之一。

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