室內苯污染的植物生態修復技術研究進展

魯敏，趙潔，馮蘭東，劉功生，閆紅梅，趙學明

(1.山東建筑大學 藝術學院，山東 濟南 250101;2.山東建筑大學 就業指導工作處，山東 濟南 250101)

0 引言

隨著社會經濟快速發展，環境污染問題愈加嚴峻。繼“煤煙型”和“光化學煙霧型”污染期之后，當今人類已進入以“室內化學污染”為標志的第三污染期［1］。

目前，室內化學污染的程度往往要比室外更嚴重，研究表明:室內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］。現代人每天有3/4 以上的時間都生活在室內，室內空氣質量和人們的健康密切相關。據世界衛生組織數據顯示:全世界約有近一半的人深受室內化學污染危害，每年有10 萬人由于室內化學污染死于哮喘等疾病，呼吸道疾病中有35.7%是由室內化學污染所導致的［3－4］。室內化學污染已經列入對公眾健康危害最大的五種環境因素之一，成為目前城市環境面臨的主要問題［5］。

由苯及苯系物引起的一系列室內化學污染問題已日益引起人們的廣泛關注和重視，苯是室內空氣污染的三大隱形殺手之一，并已成為室內化學污染的主要污染物，具強致癌和致畸形能力，嚴重威脅著人類生命安全和健康［6］。因此，尋求解決室內苯污染的有效治理措施已成為室內生態環境改善亟待解決的一項重要課題。目前，國內外學者專家針對苯及其它室內化學污染的凈化和修復技術等方面進行了許多相關研究［7－8］。其中，室內植物不僅對室內苯污染物具有很強的凈化修復能力，而且具有重要的吸碳放氧功能，尤其具有安全、經濟、穩定、持續的凈化效果［9－10］。因此，在多種凈化修復技術中，室內植物生態修復技術已成為治理室內苯污染的重要手段和根本途徑，也是室內生態環境建設研究的核心內容和熱點［11］。

1 室內苯污染及植物生態修復技術

1.1 室內苯污染概況

1.1.1 室內苯污染來源及危害

室內空氣中的苯主要來源于室內建筑裝飾材料油漆、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廢氣、汽車尾氣等也是潛在污染源［12］。

苯污染是危害最嚴重的室內化學污染之一。1993 年，世界衛生組織(WHO)將苯確定為強致癌物，苯對人體的危害主要表現在刺激呼吸道、中毒、血液疾病、免疫力下降及生殖系統及發育缺陷等方面［13］。人長期處于苯污染的室內環境中，會出現頭痛、失眠、記憶力減退、神經衰弱等癥狀，嚴重時會引起病變甚至導致人體器官的癌變，誘發白血病等。

1.1.2 室內苯污染現狀及凈化技術

近年來，室內裝修裝飾的大量涌現，裝飾材料不合格、建筑裝修市場不規范、管理監督機制不完善、公眾認識不足等問題都在進一步導致室內苯污染物不斷超標［14］。

據調查，我國大多數新裝修室內環境都存在不同程度的苯污染，苯超標率十分嚴重［15］。徐國鋒等對河南省濮陽市裝修居室的室內空氣中甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氡的濃度進行檢測，結果顯示苯超標率達14.3%，僅次于甲醛，苯污染十分嚴重［16］。成東艷等對70 家新裝修居室中的苯、甲苯、二甲苯、甲醛物質進行了空氣質量監測。結果表明:樣本中室內空氣苯合格率僅為29%，苯濃度超標最高達國家標準47.7 倍［17］。楊辛等對江西省11 個城市抽樣的563 個樣本進行了室內空氣中苯系物含量的調查，結果顯示，有61.46%的樣本存在苯超標［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行了監測，發現83%的居室苯含量超過國家標準［19］。

目前，室內苯污染的凈化治理方式有通風換氣、物理吸附、化學吸收、光催化、生物處理等［20］。這些方法可快速凈化室內苯污染氣體，但因會產生二次污染或者存在影響人們健康的副作用等缺點使應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長期的過程，其凈化存在治理周期長、花費成本高的特點。因此，如何長期、安全、有效的控制和降解室內苯污染成為人們亟需解決的問題。

1.2 植物生態修復技術

室內苯污染的植物生態修復技術是指利用某些特定植物通過植物的吸收、降解、揮發等自身的代謝作用去除室內空氣中的苯的凈化修復方式。這種方法具有安全、經濟、潛力大和可持續等特點，是符合公眾心理需求的綠色高效修復技術［21－22］。植物生態修復技術不僅可以達到凈化室內化學污染物的目的，而且兼具改善室內空氣質量、美化人類居室生活環境等功能，同時植物本身具有姿態美和豐富的文化內涵，可以起到提高人們生活情趣的作用。植物生態修復技術已成為修復凈化領域的核心內容和研究熱點［23］。

2 植物凈化修復苯污染的機理機制

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、轉化、降解等過程去除空氣中的污染物，進而達到修復環境的目的。植物代謝污染物的途徑主要有降解、轉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來分解進入植物體內的污染物或者是通過代謝途徑降解污染物的方式［26］。轉化固化是植物經過自身的生理過程把污染物的形態由一種轉化成另外一種的現象。同化超同化是植物將污染物中對自身有益的營養元素吸收并最終轉變成促進植物生長的自身物質的過程。植物吸收污染物的器官主要有葉片和根［27］。

Ugrekhelidze 等利用14C 標記的實驗方法，對植物葉片代謝氣態苯和甲苯的過程進行了研究［28］。研究發現苯和甲苯通過氣孔進入植物體后，植物細胞對氣體進行識別并釋放特異蛋白質同化或分解污染物。苯和甲苯在植物體內的代謝過程首先是苯環在一種以多酚氧化酶為主的酶系催化氧化作用下發生斷裂，然后斷裂后的碳原子被同化或分解為兩種形態:一部分碳原子轉化為植物細胞中的有機酸，進而合成氨基酸;另一部分碳原子被轉化為二氧化碳，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

大量植物修復空氣污染的研究已經證實，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 等通過實驗發現，存在于植物葉片中的膠狀物質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制，結果表明:葉片主要通過氣孔吸收苯系物，進入植物體后，細胞中酶的活性決定了苯系物的轉化過程［28］。對小分子量組分碎片進行分析表明，由碳原子組成的苯系物主要被轉化合成為難以揮發的有機酸化合物。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現:植物的吸收凈化能力可能與其自身的氣孔密度有一定關聯，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，研究在苯氣體持續熏氣后盆栽植物土壤中根系微生物的變化，結果表明:持續熏氣后，土壤中細菌和真菌等各種微生物數量都明顯增多［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量增多。微生物的增多進一步促進了污染物的降解，增強了盆栽植物對苯污染的凈化能力。Wolverton 通過實驗證實植物與基質、根系微生物所構成的系統在植物吸收凈化苯污染中發揮主要作用，且土壤中與植物共生的微生物吸收污染物的能力經過代代繁殖后得到不斷加強［32］。Wood 等通過實驗發現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，結果表明:根系微生物是植物能夠連續進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修復凈化功能

3.1 植物對苯污染的吸收凈化能力

對室內植物凈化苯及苯系物的系統研究最早出現在20 世紀80 年代。Wolverton 等對白鶴芋、千年木、非洲菊(Gerbera jamesonii)、萬年青(Rohdea japonica)等常見室內植物采用靜態熏蒸法進行苯脅迫試驗，研究了這些植物對室內苯污染氣體的吸收凈化能力，結果表明:萬年青、銀邊朱焦(Codyline terminalis‘Warneckei’)、白鶴芋和洋常春藤(Hedera helix)，具有較強的凈化苯污染能力［35－36］。國內有關植物凈化室內化學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。中國室內裝飾協會室內環境監測中心在2005 年首次發布了常見盆栽植物凈化室內環境的研究測試結果:散尾葵(Chrysalidocarpus lutescens )、常春藤、綠蘿(Scindapsus aureun)等10 種植物吸收凈化甲醛、苯、氨等室內污染氣體效果明顯［37］。國內外眾多研究表明，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的特點。Wood 對白鶴芋、瓔珞椰子 (Chamaedorea cataractarum)等植物進行了吸收室內化學污染氣體的連續性測試，研究了植物對苯等室內污染氣體的吸收效果，結果表明:室內植物能在24 h 內連續吸收高于標準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到原來的水平，即一定條件下，植物對苯的吸收能力可恢復并能被重復利用［41］。

Cornejo 等研究結果表明: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，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

在污染環境下，植物會發生多種生理適應性變化，相應生理指標如葉綠素含量、質膜相對透性、過氧化物酶含量、丙二醛含量等也會發生不同程度變化，這些變化能夠精確衡量植物對室內化學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制。不同種植物對苯污染的耐受能力和適應性不同。

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膜透性以及葉綠素含量的變化，結果表明:木立蘆薈和玉吊鐘的抗性較強而凈化能力較差;蓮花掌和絨毛掌的凈化能力較強而抗性較差［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胞的超微結構的變化進行了觀察研究，透射電鏡結果表明:經苯處理的幾種植物體內細胞中的葉綠體產生形變，內部淀粉粒數量增多體積增大，且基粒及基粒片層呈不規則排列，甚至有一些細胞發生了質壁分離的現象;其中吊蘭受傷害最嚴重，金邊虎尾蘭次之，愛玉合果芋受害最小［30］。

陸小清等對冬青屬植物中的7 個品種進行了苯脅迫處理，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，‘藍少女’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胞ATPase 超微結構的動態變化發現:受高濃度苯脅迫后，供試植物細胞質膜、細胞間隙、細胞核上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［45］。

4 應用與展望

植物生態修復技術對室內苯污染凈化效果顯著，室內植物在吸收凈化污染氣體發揮其生態功能的同時，兼具美化居室的功能，室內植物給人們營造健康和優美的居室環境，對于改善城市生態環境質量有著不可替代的作用。盡管植物生態修復技術具有安全、經濟、可持續的優點，但在實際應用中仍然存在一定的局限性。大多數植物修復過程較緩慢，且修復效果易受栽植養護管理水平的制約。所以目前植物生態修復技術多與其他修復技術如物理化學吸附技術、生物處理技術、光催化技術等聯合應用，以縮短修復時間，提高修復效率。

室內植物生態修復技術已成為治理室內化學污染的重要手段和根本途徑，目前相關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能力的研究較少，仍處于起步階段，許多方面有待進一步深入研究:(1)系統全面研究植物凈化苯污染的能力，制定評價標準，量化植物的凈化能力;(2)加強植物凈化苯污染的持續性研究;(3)深入對植物的苯吸收機理機制和代謝途徑的研究;(4)展開復合污染的植物修復研究，篩選出針對多種室內空氣污染物的凈化修復植物;(5)研究植物的苯脅迫響應基因，通過基因工程的研究增強植物凈化修復苯污染的能力或培育高效修復型植物新品種等。此外，植物生態修復技術和其它修復技術的聯合應用也有待于進一步深入研究。

室內苯污染危害程度高，污染源多樣，對其凈化修復研究是一復雜、艱巨而長期的課題，植物生態修復技術具有很高的環境、經濟效益，具有廣泛的市場和應用前景，將成為室內苯污染治理、室內生態環境建設研究的前沿和熱點。

［1］馬亞夢.裝修居室甲醛污染狀況及功能植物的甲醛去除能力研究［D］.長沙:中南大學，2012.

［2］張淑娟，黃耀棠.利用植物凈化室內甲醛污染的研究進展［J］.生態環境學報，2010，19(12):3006－3013.

［3］張寅平.中國室內環境與健康研究進展報告［M］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［4］劉雅棋，李振海.城市住宅室內化學污染情況調查與分析［J］.建筑節能，2013，41(1):33－37.

［5］魯敏，劉順騰，趙潔.室內化學污染氣體的植物監測研究進展［J］.山東建筑大學學報，2013，28(1):58－62.

［6］李小冬，高源雪，孔祥勤，等.基于LCA 理論的建筑室內裝修健康損害評價［J］.清華大學學報(自然科學版)，2013，53(1):66－71.

［7］吳忠標，趙偉榮.室內空氣污染及凈化技術［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［8］馬超.室內空氣污染凈化技術的現狀與發展趨勢［J］.環境工程，2011，29(S1):168－170.

［9］安雪，李霞，潘會堂，等.園林植物凈化居室有害氣體研究進展［J］.世界林業研究，2010，23(2):39－43.

［10］彭勝巍，周啟星.持久性有機污染土壤的植物修復及其機理研究進展［J］.生態學雜志，2008，27(3):469－475.

［11］魯敏，裴翡翡，劉順騰.室內甲醛污染的植物生態修復技術研究進展［J］.山東建筑大學學報，2011，26(6):592－597.

［12］彭燕，張艷利，王新明，等.廣州市賓館室內空氣中苯系物來源及健康風險初步評估［J］.中國環境科學，2012，32(5):787－794.

［13］宋廣生.室內環境質量評價及監測手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［14］徐東群.居住環境空氣污染與健康［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［15］李學峰，周啟星.BTEX 的環境質量標準研究進展［J］.生態學雜志，2011，30(2):369－375.

［16］徐國鋒，侯書芬，李鳳蘇.裝修所致室內空氣污染狀況調查［J］.環境與職業醫學，2008，25(1):76－78.

［17］成東艷.室內空氣中苯系物污染的危害及防治［J］.環境保護與循環經，2008，28(1):40－41.

［18］楊辛，胡正生，萬志勇，等.江西省室內空氣中苯系物調查研究［J］.江西科學，2007，25(6):737－740.

［19］甄世利.家居室內空氣中苯系物污染的監測分析［J］.山西大同大學學報(自然科學版)，2010，26(4):39－41.

［20］孫小莉，李生才，曾慶軒，等.城市空氣污染及其防治對策［J］.安全與環境學報，2008，8(4):73－76.

［21］夏會龍，吳良歡，陶勤南.有機污染環境的植物修復研究進展［J］.應用生態學報，2003，14(3):457－460.

［22］燕傲蕾，吳亭亭，王友保，等.三種觀賞植物對重金屬鎘的耐性與積累特性［J］.生態學報，2010，30(9):2491－2498.

［23］裴翡翡.室內甲醛污染的植物生態修復技術研究［D］.濟南:山東建筑大學，2012.

［24］王佳佳.4 種CAM 植物對室內苯凈化能力研究［D］.黑龍江:東北林業大學，2009.

［25］王萍，周啟星.BTEX 污染環境的修復機理與技術研究進展［J］.生態學雜志，2009，28(2):329－334.

［26］韓陽，李雪梅，朱延妹.環境污染與植物功能［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［27］魯敏，李英杰.城市生態綠地系統建設［M］.北京:中國林業出版社，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］黃愛葵.幾種盆栽觀賞植物對室內空氣凈化能力的研究［D］.南京:南京林業大學，2005.

［31］鄧瑜衡.盆栽植物吸收空氣中苯系物的能力及其生理特性變化研究［D］.上海:上海大學，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］安領弟.首次常用植物凈化室內環境污染結果發布［N］.中華建筑報，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，黃品湖，王月英，等.幾種觀葉植物對室內污染物的凈化效果研究［J］.環境工程學報，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］黃愛葵，李楠，湯庚國.四種室內盆栽植物對高濃度苯和甲醛的吸收特性［J］.環境與健康雜志，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］陸長根，盛寧，張衡鋒.4 種室內觀賞植物對苯氣體脅迫的反應［J］.安徽農業科學，2008，36(34):14869－14870.

［44］陸小清，張衡鋒，湯庚國，等.7 種(品種)冬青屬植物對苯氣體的脅迫反應［J］.林業科技開發，2008，22(3):56－58.

［45］張衡鋒.七種冬青對苯的凈化能力和抗苯脅迫能力的研究［D］.南京:南京林業大學，2008.