室内苯污染的植物生态修复技术研究进展

鲁敏，赵洁，冯兰东，刘功生，闫红梅，赵学明

(1.山东建筑大学 艺术学院，山东 济南 250101;2.山东建筑大学 就业指导工作处，山东 济南 250101)

0 引言

随着社会经济快速发展，环境污染问题愈加严峻。继“煤烟型”和“光化学烟雾型”污染期之后，当今人类已进入以“室内化学污染”为标志的第三污染期［1］。

目前，室内化学污染的程度往往要比室外更严重，研究表明:室内污染物浓度平均高于室外5～10倍，甚至某些污染物的含量高于室外近百倍［2］。现代人每天有3/4 以上的时间都生活在室内，室内空气质量和人们的健康密切相关。据世界卫生组织数据显示:全世界约有近一半的人深受室内化学污染危害，每年有10 万人由于室内化学污染死于哮喘等疾病，呼吸道疾病中有35.7%是由室内化学污染所导致的［3－4］。室内化学污染已经列入对公众健康危害最大的五种环境因素之一，成为目前城市环境面临的主要问题［5］。

由苯及苯系物引起的一系列室内化学污染问题已日益引起人们的广泛关注和重视，苯是室内空气污染的三大隐形杀手之一，并已成为室内化学污染的主要污染物，具强致癌和致畸形能力，严重威胁着人类生命安全和健康［6］。因此，寻求解决室内苯污染的有效治理措施已成为室内生态环境改善亟待解决的一项重要课题。目前，国内外学者专家针对苯及其它室内化学污染的净化和修复技术等方面进行了许多相关研究［7－8］。其中，室内植物不仅对室内苯污染物具有很强的净化修复能力，而且具有重要的吸碳放氧功能，尤其具有安全、经济、稳定、持续的净化效果［9－10］。因此，在多种净化修复技术中，室内植物生态修复技术已成为治理室内苯污染的重要手段和根本途径，也是室内生态环境建设研究的核心内容和热点［11］。

1 室内苯污染及植物生态修复技术

1.1 室内苯污染概况

1.1.1 室内苯污染来源及危害

室内空气中的苯主要来源于室内建筑装饰材料油漆、涂料、胶粘剂及各种添加剂等，此外，生活及办公用品以及室外的工业废气、汽车尾气等也是潜在污染源［12］。

苯污染是危害最严重的室内化学污染之一。1993 年，世界卫生组织(WHO)将苯确定为强致癌物，苯对人体的危害主要表现在刺激呼吸道、中毒、血液疾病、免疫力下降及生殖系统及发育缺陷等方面［13］。人长期处于苯污染的室内环境中，会出现头痛、失眠、记忆力减退、神经衰弱等症状，严重时会引起病变甚至导致人体器官的癌变，诱发白血病等。

1.1.2 室内苯污染现状及净化技术

近年来，室内装修装饰的大量涌现，装饰材料不合格、建筑装修市场不规范、管理监督机制不完善、公众认识不足等问题都在进一步导致室内苯污染物不断超标［14］。

据调查，我国大多数新装修室内环境都存在不同程度的苯污染，苯超标率十分严重［15］。徐国锋等对河南省濮阳市装修居室的室内空气中甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氡的浓度进行检测，结果显示苯超标率达14.3%，仅次于甲醛，苯污染十分严重［16］。成东艳等对70 家新装修居室中的苯、甲苯、二甲苯、甲醛物质进行了空气质量监测。结果表明:样本中室内空气苯合格率仅为29%，苯浓度超标最高达国家标准47.7 倍［17］。杨辛等对江西省11 个城市抽样的563 个样本进行了室内空气中苯系物含量的调查，结果显示，有61.46%的样本存在苯超标［18］。甄世利对山西省大同市52 个新装修居室空气中的苯系物进行了监测，发现83%的居室苯含量超过国家标准［19］。

目前，室内苯污染的净化治理方式有通风换气、物理吸附、化学吸收、光催化、生物处理等［20］。这些方法可快速净化室内苯污染气体，但因会产生二次污染或者存在影响人们健康的副作用等缺点使应用受到不同程度的局限。另外，苯污染气体的释放是一个持续长期的过程，其净化存在治理周期长、花费成本高的特点。因此，如何长期、安全、有效的控制和降解室内苯污染成为人们亟需解决的问题。

1.2 植物生态修复技术

室内苯污染的植物生态修复技术是指利用某些特定植物通过植物的吸收、降解、挥发等自身的代谢作用去除室内空气中的苯的净化修复方式。这种方法具有安全、经济、潜力大和可持续等特点，是符合公众心理需求的绿色高效修复技术［21－22］。植物生态修复技术不仅可以达到净化室内化学污染物的目的，而且兼具改善室内空气质量、美化人类居室生活环境等功能，同时植物本身具有姿态美和丰富的文化内涵，可以起到提高人们生活情趣的作用。植物生态修复技术已成为修复净化领域的核心内容和研究热点［23］。

2 植物净化修复苯污染的机理机制

2.1 植物对苯污染的吸收积累与代谢

植物主要通过吸收、积累、转化、降解等过程去除空气中的污染物，进而达到修复环境的目的。植物代谢污染物的途径主要有降解、转化固化和同化超同化等［24－25］。降解是指植物通过过氧化物酶、脱卤酶、硝基还原酶等酶类自生物质来分解进入植物体内的污染物或者是通过代谢途径降解污染物的方式［26］。转化固化是植物经过自身的生理过程把污染物的形态由一种转化成另外一种的现象。同化超同化是植物将污染物中对自身有益的营养元素吸收并最终转变成促进植物生长的自身物质的过程。植物吸收污染物的器官主要有叶片和根［27］。

Ugrekhelidze 等利用14C 标记的实验方法，对植物叶片代谢气态苯和甲苯的过程进行了研究［28］。研究发现苯和甲苯通过气孔进入植物体后，植物细胞对气体进行识别并释放特异蛋白质同化或分解污染物。苯和甲苯在植物体内的代谢过程首先是苯环在一种以多酚氧化酶为主的酶系催化氧化作用下发生断裂，然后断裂后的碳原子被同化或分解为两种形态:一部分碳原子转化为植物细胞中的有机酸，进而合成氨基酸;另一部分碳原子被转化为二氧化碳，最终通过植物的代谢过程排出体外。

2.2 植物叶片和根际微生物对苯污染降解的影响

大量植物修复空气污染的研究已经证实，植物叶片和根系微生物在植物吸收净化污染物的过程中起着重要作用。

Marta 等通过实验发现，存在于植物叶片中的胶状物质对污染物有一定的吸附能力［29］。Ugrekhelidze 等以无菌菠菜叶片为试材，研究了植物对苯的净化机制，结果表明:叶片主要通过气孔吸收苯系物，进入植物体后，细胞中酶的活性决定了苯系物的转化过程［28］。对小分子量组分碎片进行分析表明，由碳原子组成的苯系物主要被转化合成为难以挥发的有机酸化合物。黄爱葵以爱玉合果芋(Syngonium podophyllum)、黄金葛(Scindapsus aureun)等植物为试材，研究植物对苯的吸收净化效果时发现:植物的吸收净化能力可能与其自身的气孔密度有一定关联，气孔密度越大，对苯的吸收率和吸收速率也越高［30］。

除叶片外，植物根系微生物在植物净化修复苯污染过程中也起到重要作用。邓瑜衡等以常春藤(Hedera nepalensis)、黄金葛等植物为试材，研究在苯气体持续熏气后盆栽植物土壤中根系微生物的变化，结果表明:持续熏气后，土壤中细菌和真菌等各种微生物数量都明显增多［31］。一方面是因为苯污染胁迫致使植物分泌物增多，为土壤中各种微生物提供了更有利的生存和生长的环境，加快了土壤中原本存在的微生物的生长和繁殖;另一方面盆栽土壤外的外源微生物的加入也使得微生物数量增多。微生物的增多进一步促进了污染物的降解，增强了盆栽植物对苯污染的净化能力。Wolverton 通过实验证实植物与基质、根系微生物所构成的系统在植物吸收净化苯污染中发挥主要作用，且土壤中与植物共生的微生物吸收污染物的能力经过代代繁殖后得到不断加强［32］。Wood 等通过实验发现某些土壤中的微生物在植物净化苯污染时起着重要的吸收作用［33］。Orwell 以白鹤芋(Spathiphyllum floribundum)、千年木(Cordyline fruticosa)和黄金葛等植物为试材，研究了根系微生物在植物吸收苯的过程中所起的作用，结果表明:根系微生物是植物能够连续进行吸收有害气体的主要原因之一［34］。

3 植物对苯污染的生态修复净化功能

3.1 植物对苯污染的吸收净化能力

对室内植物净化苯及苯系物的系统研究最早出现在20 世纪80 年代。Wolverton 等对白鹤芋、千年木、非洲菊(Gerbera jamesonii)、万年青(Rohdea japonica)等常见室内植物采用静态熏蒸法进行苯胁迫试验，研究了这些植物对室内苯污染气体的吸收净化能力，结果表明:万年青、银边朱焦(Codyline terminalis‘Warneckei’)、白鹤芋和洋常春藤(Hedera helix)，具有较强的净化苯污染能力［35－36］。国内有关植物净化室内化学污染的研究起步较晚，且研究多集中在植物吸收净化甲醛能力方面，对净化苯污染的研究近年刚刚开始。中国室内装饰协会室内环境监测中心在2005 年首次发布了常见盆栽植物净化室内环境的研究测试结果:散尾葵(Chrysalidocarpus lutescens )、常春藤、绿萝(Scindapsus aureun)等10 种植物吸收净化甲醛、苯、氨等室内污染气体效果明显［37］。国内外众多研究表明，白鹤芋、虎尾兰(Sansevieria zeylanica)、大花天竺葵(Pelargonium domesticum)、橡皮树(Ficus elastica)、山苏花巢蕨(Neottopteris nidus)、绿萝、玉海棠(Kalanchoe blossfeldiana)、龙血树(Dracaena fragrans)、爱玉合果芋、君子兰(Clivia miniata)、金边瑞香(Daphne odora var.marginata)等植物对室内苯污染均有不同程度的吸收和净化能力［38－39］。

植物对苯污染气体的吸收具有可持续的特点。Wood 对白鹤芋、璎珞椰子 (Chamaedorea cataractarum)等植物进行了吸收室内化学污染气体的连续性测试，研究了植物对苯等室内污染气体的吸收效果，结果表明:室内植物能在24 h 内连续吸收高于标准3～10 倍的污染气体，并且能力不减退［40］。黄爱葵等对爱玉合果芋、黄金葛等4 种常见室内盆栽观赏植物采用改良Wolverton 的密闭仓熏气法，研究了植物净化苯及甲醛的吸收特性，结果表明:受试植物对苯的吸收能力从大到小依次为:爱玉合果芋＞金边虎尾兰(Sansevieria trifasciata‘Laurentii’)＞黄金葛＞吊兰;同时，随着时间的延长，4 种植物对苯的吸收能力均呈下降趋势，但在洁净空气中放置24～72 h 后，4 种植物对苯的吸收能力均可恢复到原来的水平，即一定条件下，植物对苯的吸收能力可恢复并能被重复利用［41］。

Cornejo 等研究结果表明:植物对污染气体的吸收具有选择性［42］。通过对吊兰(Chlorophytum comosum)、长寿花(Narcissus jonquilla)、橡皮树等6种常见室内植物采用密闭仓熏蒸法，研究了植物对苯等污染气体的净化吸收能力，结果表明:长寿花、橡皮树、大花天竺葵、吊兰对苯的吸收能力较强，但在苯与甲苯的混合气体吸收试验中，长寿花几乎没有吸收甲苯，植物对不同的污染气体吸收效果不同。

3.2 植物对苯污染的耐受能力

在污染环境下，植物会发生多种生理适应性变化，相应生理指标如叶绿素含量、质膜相对透性、过氧化物酶含量、丙二醛含量等也会发生不同程度变化，这些变化能够精确衡量植物对室内化学污染的敏感度和耐受能力，反映植物在净化苯污染时的抗性机制。不同种植物对苯污染的耐受能力和适应性不同。

陆长根等对木立芦荟(Aloe arborescens)、玉吊钟(Kalanchoe fedtschenkoi)、绒毛掌(Echeveria pulvinata)和莲花掌(Aeonium arboretum)4 种植物采用熏蒸法苯胁迫处理，测定植物在苯气体胁迫下原生质膜透性以及叶绿素含量的变化，结果表明:木立芦荟和玉吊钟的抗性较强而净化能力较差;莲花掌和绒毛掌的净化能力较强而抗性较差［43］。

黄爱葵对爱玉合果芋、黄金葛、金边虎尾兰、吊兰四种植物在苯胁迫下的细胞的超微结构的变化进行了观察研究，透射电镜结果表明:经苯处理的几种植物体内细胞中的叶绿体产生形变，内部淀粉粒数量增多体积增大，且基粒及基粒片层呈不规则排列，甚至有一些细胞发生了质壁分离的现象;其中吊兰受伤害最严重，金边虎尾兰次之，爱玉合果芋受害最小［30］。

陆小清等对冬青属植物中的7 个品种进行了苯胁迫处理，研究了冬青属(Ilex)植物对苯的净化能力和在苯胁迫下的耐受能力，结果表明:7 种(品种)冬青树种净化苯污染的能力和耐苯胁迫的能力均存在显著差异;在苯胁迫与甲醛胁迫时，植物的生理指标变化大致相似;大别山冬青(Ilex dabeishannensis)和刺叶冬青(Ilex bioritsensis)耐苯胁迫能力较强，‘蓝少女’冬青(Ilex meserveae‘Blue girl’)、钝齿冬青和全缘冬青次之，冬青(Ilex chinensis)和‘金宝石’冬青(Ilex crenta‘Golden gem’)耐苯胁迫能力较弱［44］。张衡锋等研究了在长期高浓度苯胁迫下两种冬青叶绿体ATPase 的活性变化，用透射电子显微镜观察叶片细胞ATPase 超微结构的动态变化发现:受高浓度苯胁迫后，供试植物细胞质膜、细胞间隙、细胞核上ATPase 活性均明显提高，尤其是液泡膜和叶绿体膜上ATPase 活性提高更明显，大别山冬青ATPase 活性提高明显高于冬青，即大别山冬青的抗苯胁迫能力更强［45］。

4 应用与展望

植物生态修复技术对室内苯污染净化效果显著，室内植物在吸收净化污染气体发挥其生态功能的同时，兼具美化居室的功能，室内植物给人们营造健康和优美的居室环境，对于改善城市生态环境质量有着不可替代的作用。尽管植物生态修复技术具有安全、经济、可持续的优点，但在实际应用中仍然存在一定的局限性。大多数植物修复过程较缓慢，且修复效果易受栽植养护管理水平的制约。所以目前植物生态修复技术多与其他修复技术如物理化学吸附技术、生物处理技术、光催化技术等联合应用，以缩短修复时间，提高修复效率。

室内植物生态修复技术已成为治理室内化学污染的重要手段和根本途径，目前相关研究多集中在植物对甲醛的净化能力上，针对苯污染净化修复能力的研究较少，仍处于起步阶段，许多方面有待进一步深入研究:(1)系统全面研究植物净化苯污染的能力，制定评价标准，量化植物的净化能力;(2)加强植物净化苯污染的持续性研究;(3)深入对植物的苯吸收机理机制和代谢途径的研究;(4)展开复合污染的植物修复研究，筛选出针对多种室内空气污染物的净化修复植物;(5)研究植物的苯胁迫响应基因，通过基因工程的研究增强植物净化修复苯污染的能力或培育高效修复型植物新品种等。此外，植物生态修复技术和其它修复技术的联合应用也有待于进一步深入研究。

室内苯污染危害程度高，污染源多样，对其净化修复研究是一复杂、艰巨而长期的课题，植物生态修复技术具有很高的环境、经济效益，具有广泛的市场和应用前景，将成为室内苯污染治理、室内生态环境建设研究的前沿和热点。

［1］马亚梦.装修居室甲醛污染状况及功能植物的甲醛去除能力研究［D］.长沙:中南大学，2012.

［2］张淑娟，黄耀棠.利用植物净化室内甲醛污染的研究进展［J］.生态环境学报，2010，19(12):3006－3013.

［3］张寅平.中国室内环境与健康研究进展报告［M］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［4］刘雅棋，李振海.城市住宅室内化学污染情况调查与分析［J］.建筑节能，2013，41(1):33－37.

［5］鲁敏，刘顺腾，赵洁.室内化学污染气体的植物监测研究进展［J］.山东建筑大学学报，2013，28(1):58－62.

［6］李小冬，高源雪，孔祥勤，等.基于LCA 理论的建筑室内装修健康损害评价［J］.清华大学学报(自然科学版)，2013，53(1):66－71.

［7］吴忠标，赵伟荣.室内空气污染及净化技术［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［8］马超.室内空气污染净化技术的现状与发展趋势［J］.环境工程，2011，29(S1):168－170.

［9］安雪，李霞，潘会堂，等.园林植物净化居室有害气体研究进展［J］.世界林业研究，2010，23(2):39－43.

［10］彭胜巍，周启星.持久性有机污染土壤的植物修复及其机理研究进展［J］.生态学杂志，2008，27(3):469－475.

［11］鲁敏，裴翡翡，刘顺腾.室内甲醛污染的植物生态修复技术研究进展［J］.山东建筑大学学报，2011，26(6):592－597.

［12］彭燕，张艳利，王新明，等.广州市宾馆室内空气中苯系物来源及健康风险初步评估［J］.中国环境科学，2012，32(5):787－794.

［13］宋广生.室内环境质量评价及监测手册［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［14］徐东群.居住环境空气污染与健康［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［15］李学峰，周启星.BTEX 的环境质量标准研究进展［J］.生态学杂志，2011，30(2):369－375.

［16］徐国锋，侯书芬，李凤苏.装修所致室内空气污染状况调查［J］.环境与职业医学，2008，25(1):76－78.

［17］成东艳.室内空气中苯系物污染的危害及防治［J］.环境保护与循环经，2008，28(1):40－41.

［18］杨辛，胡正生，万志勇，等.江西省室内空气中苯系物调查研究［J］.江西科学，2007，25(6):737－740.

［19］甄世利.家居室内空气中苯系物污染的监测分析［J］.山西大同大学学报(自然科学版)，2010，26(4):39－41.

［20］孙小莉，李生才，曾庆轩，等.城市空气污染及其防治对策［J］.安全与环境学报，2008，8(4):73－76.

［21］夏会龙，吴良欢，陶勤南.有机污染环境的植物修复研究进展［J］.应用生态学报，2003，14(3):457－460.

［22］燕傲蕾，吴亭亭，王友保，等.三种观赏植物对重金属镉的耐性与积累特性［J］.生态学报，2010，30(9):2491－2498.

［23］裴翡翡.室内甲醛污染的植物生态修复技术研究［D］.济南:山东建筑大学，2012.

［24］王佳佳.4 种CAM 植物对室内苯净化能力研究［D］.黑龙江:东北林业大学，2009.

［25］王萍，周启星.BTEX 污染环境的修复机理与技术研究进展［J］.生态学杂志，2009，28(2):329－334.

［26］韩阳，李雪梅，朱延妹.环境污染与植物功能［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［27］鲁敏，李英杰.城市生态绿地系统建设［M］.北京:中国林业出版社，2005.

［28］Ugrekhelidze D.，Korte F.，Kvesitade G..Uptake and transformation of benzene and toluene by plant leaves［J］.Eotoxicology and Environmental Safety，1997，37(1):24－29.

［29］Marta E.，Almdena V.，Christian K.，et al.Formaldehyde biodegradation in the presence of methanol under denitrifying conditions［J］.Chemical Technology and Biotechnology，2006，81:312－317.

［30］黄爱葵.几种盆栽观赏植物对室内空气净化能力的研究［D］.南京:南京林业大学，2005.

［31］邓瑜衡.盆栽植物吸收空气中苯系物的能力及其生理特性变化研究［D］.上海:上海大学，2007.

［32］Wolverton B.C.，Johnson A.，Bounds K..A Study of Interior Landscape Plants for Indoor Air Pollution Abatement，An Interim Report.Mississippi［M］.Stennis:NASA Stennis Space Center，1989.

［33］Wood R.A..Study of absorption of VOCs by commonly used indoor plants［J］.Proceedings:Indoor Air，1999，2:690－694.

［34］Orwell R.L.，Wood R.L.，Tarran J.，et al.Removal of benzene by the indoor plant/substrate microcosm and implications for air quality［J］.Water，Air and Soil Pollution，2004，157(1):193－207.

［35］Wolverton B.C.，Wolverton J.D..Interior plants:Their influence on airborne microbes inside energy-efficient buildings［J］.Journal of the Mississippi Academy of Sciences，1996，41(2):99－105.

［36］Wolverton B.C..How to grow fresh air［J］.Penguin Books，1997，3:18－19.

［37］安领弟.首次常用植物净化室内环境污染结果发布［N］.中华建筑报，2005－09－24(002).

［38］Tarran J.，Torpy F.，Burchett M..Use of living pot-plants to clean indoor air-research review［J］.Water Air Soil Pollut，2007，175(1):163－180.

［39］郭秀珠，黄品湖，王月英，等.几种观叶植物对室内污染物的净化效果研究［J］.环境工程学报，2007，1(1):104－106.

［40］Ronald W.，Orwell R.，Tarran J.，et al.Pot-plants really do clean indoor air［J］.The Nursery Papers，2001，2:1－4.

［41］黄爱葵，李楠，汤庚国.四种室内盆栽植物对高浓度苯和甲醛的吸收特性［J］.环境与健康杂志，2008，25(12):1078－1080.

［42］Cornejo J.J.，Munoz F.G.，Ma C .Y.，et al.Studies on the decontamination of air by plants［J］.Ecotoxicology，1999，8(4):311－320.

［43］陆长根，盛宁，张衡锋.4 种室内观赏植物对苯气体胁迫的反应［J］.安徽农业科学，2008，36(34):14869－14870.

［44］陆小清，张衡锋，汤庚国，等.7 种(品种)冬青属植物对苯气体的胁迫反应［J］.林业科技开发，2008，22(3):56－58.

［45］张衡锋.七种冬青对苯的净化能力和抗苯胁迫能力的研究［D］.南京:南京林业大学，2008.