植物净化室内空气污染的研究进展

贾洪增 李祥 张思源 翟慧聪 贾陈忠

摘要：通过对国内外植物净化室内空气污染研究成果的分析，比较了物理、化学和植物三种净化方法改善室内空气质量的差异。总结了当前植物净化室内空气污染研究所存在的实验方法缺陷和研究问题盲区，指出了室内盆栽植物在实际选用中存在的问题，提出了新的研究展望，为进一步探究植物在室内空气污染净化的应用及研究提供重要参考。

关键词：植物;净化;空气污染

中图分类号：X511

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0078-04

1 室内空气污染现状及其危害

目前，“室内空气污染”已被称为继“煤烟型污染”和“光化学烟雾型污染”后的第三污染时期。据报道室内空气的污染程度是室外的5～20倍[1]，按其污染物性质主要分为化学型、物理型和生物型三种类别，分别来源于建筑装潢材料和日常生活用品的挥发物、家用电子电磁设备的辐射、人与宠物携带的细菌螨虫等[2]。

室内空气污染严重损害人体健康，容易引发“建筑物综合症”或导致各种呼吸系统疾病;空气污染物中的甲醛、苯、氯化烃等有机气体化合物还有不同程度的致癌风险[3]。室内空气污染对人体健康损害具有缓慢性、累积性和隐秘性等特点，导致人们极易忽略其威胁。当室内空气污染对人体的损害经长时间累积后，健康问题才会逐渐凸显，而出现健康问题的人也很少能够将病因与室内空气污染联系起来[4]。

吴莉莉等[5]通过研究室内空气污染所致的重大健康影响，室内空气污染所致的輕微、有限的健康影响以及其他需要重点关注的问题表明：与白血病、哮喘和慢性阻塞性肺疾病（COPD）相关的室内空气污染物，主要有苯系物、甲醛、环境烟草烟雾（ETS）和过敏原性生物颗粒物等;与白血病、哮喘和不孕流产致病相关的分子机制和关键事件，主要有DNA损伤与修复、基因的表达和调控和分子信号转导（VR signaling system）等;同时讨论了环境污染危险度评价方法，指出系统引进和研究剂量一反应为基础的生物学（BBDR，biologicallybased dose- response model）模型在解决环境空气污染物低剂量长时间暴露的危险度评价问题的作用，以及寻找新“关键事件”（key events）能够促进分子毒理学与分子流行病学技术的创新和推广应用。

2 空气污染净化技术

与室外环境相比，室内环境的封闭性特点导致空气的流通性困难，而新鲜空气的缺乏使得室内空气污染的整治难度大大增加[4]。目前关于净化室内空气污染方法主要包括的物理净化、化学净化和植物净化。2003年，龚圣等[6]对室内空气净化技术进行了详细报道，指出利用常规活性炭和活性炭纤维（ACF）的吸附净化法容易产生二次污染;采用静电技术、负离子技术和低温等离子技术会产生对人体有害的臭氧，并且对一些特定污染物如细菌、VOCs和细微颗粒物的净化效果有待验证;使用光催化净化和膜分离净化是目前最具发展前景的室内空气净化技术，但因新材料研发较为困难且成本过高，因此阻碍了其大面积的应用推广。以上这些物理化学的净化技术尚不成熟，大部分还处于研究阶段。而且采用物理化学方法净化空气成本过高，难以在家庭和办公场合推广。相比之下室内空气污染的植物净化方法，具有廉价、高效、安全和实用等特点，而且还能满足大众的审美需求，因此随着人们绿色和谐观念意识的提高，室内盆栽植物被广泛应用到家庭、办公和其他公共场所。而且很多研究[7-9]表明，植物能够净化由甲醛、苯系物、VOCs、细微颗粒物、微生物等造成的室内空气污染，且植物净化具有持久性、美观性、高效性、实用性等特点。

3 植物净化空气机理

植物净化室内空气污染的方式主要有两种，一类是植物通过自身的吸附固定和吸收代谢作用以实现净化效果;另一类是寄生于植物体上的微生物以及土壤对空气污染物有净化能力。

3.1 植物的自身净化

3.1.1 吸附固定

植物能够通过茎、叶表面吸附空气中的悬浮颗粒污染物。植物吸附能力的强弱与叶面形态和粗糙度、叶片表面绒毛、叶着生角度以及叶表面分泌物、润湿性、表面自由能及其大小有关[10]。周杰良等[11]通过定量实验研究表明，植物滞尘能力的差异与叶片的表面特性、叶片着生角度、冠状等有密切关系，同时指出对于一般的叶片，分形维数越大，叶面越粗糙，单位滞尘量越大。植物的角质层上覆盖着相当多的超微结构和化学多样性蜡[12]，有国外学者经研究证实[13，14]，植物表面的蜡质层厚度、数量、分布以及结构是影响植物吸附空气污染物的重要影响因素。Barber等[15]研究表明，植物与空气间的阻力层在植物吸收污染物方面也起着一定的作用，即使在空气侧向阻力很高的情况下，植物侧向阻力对不同多氯联苯同系物的吸收速率也有重要影响。

3.1.2 吸收代谢

Giese等[16]通过放射性同位素14C标记甲醛气体来跟踪甲醛在吊兰中的转化机制，发现其体内谷胱甘肽（Glutathione）依赖的甲醛脱氢酶（Formaldehyde Dehy-drogenases）的活性比不依赖谷胱甘肽的甲醛脱氢酶活性高，而且放射性同位素14C的活性主要出现在有机酸和糖中。Schmitz等[17]用14C标记甲醛气体，跟踪甲醛在绿萝、垂叶榕叶中的代谢过程路径，在植物的叶片、茎和根都发现有14C的存在，由此推测14C标记的甲醛气体在甲醛脱氢酶和甲酸脱氢酶（Formic Dehydrogen-ases）的作用下最终被氧化成C02，然后经过卡尔文循环（Calvin Cycle）代谢。Hanson，A.D.和Roje，S.[18]通过研究发现高等植物代谢和转化甲醛可能通过不依赖叶酸的反应（Folate - independent reaction）、叶酸介导的反应（Folate - mediated reactions）、甲基化循环（Activated methyl cycle）、S-甲基甲硫氨酸循环（S-methylmethionine cycle），认为甲醛同谷胱苷肽、精氨酸（ Arginine）、天冬酰氨（Asparagine）和四氢叶酸（Tetra-hydrofolate）形成加合物，并通过植物体内不同代谢途径进行转移。其中不依赖叶酸的反应是甲醛分解的过程，叶酸介导的反应、甲基化循环和S-甲基甲硫氨酸循环则是甲醛的同化过程利用植物净化室内甲醛污染的研究进展[19]。

3.2 其他要素对空气的净化

3.2.1 土壤

植物生活的土壤构成物质复杂多样，而且不同植物对于生存土质要求不同。何海萍等[20]经研究发现珍珠岩、河砂、菌渣、黄壤土对甲醛有较好的吸收作用;许桂芳[21]通过研究也得知硅藻土、草炭、树皮和锯木屑这四盆栽基质在种植植物前后均对甲醛气体有较好的净化能力。其他常见盆栽基质中的泥炭可以吸附脱除污染气体中的HF、NH。、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯等有害气体[22];竹炭和活性炭则对空气中的甲醛气体有较好的吸附作用[23—25]。根据污染物的化学性质，土壤中的水分对甲醛、氨氮等易溶于水的有害物质具有良好的吸收净化作用。

3.2.2 微生物

土壤中含有多种微生物，这些微生物对不同空气污染物具有不同净化效果。许桂芳[21]在研究不同盆栽基质对净化甲醛效果的影响时发现，在种植植物前基质吸收甲醛的能力从大到小依次为硅藻土>草炭>树皮>锯木屑，而在种植植物后基质吸收甲醛的能力从大到小依次为硅藻土>树皮>草炭>锯木屑。表明种植后的盆栽基质在植物根系的作用下，其对甲醛的净化效果均有不同程度的提高，反映了植物的根系对各种基质产生作用的差异;根系对基质的作用，主要是依靠根部微生物的作用，说明了选择恰当基质对形成盆栽植物系统的重要性。

4 植物净化室内空气的研究进展

最早开展植物净化室内空气污染的是美国航天局（NASA）的Wolverton[26]，他通过树脂玻璃模拟密封箱进行一系列关于植物净化污染气体的熏蒸实验，总结出了对甲醛、苯、二氧化碳吸收净化效果最好的10种植物分别是： 波斯顿蕨 （Nephrolepis exaltata' Bostoniensis'）、菊花（Dendranthema x grandiflorum）、罗比亲王海枣（Phonix roebelenii）、竹蕉（Dracaena dere-mensis‘Janet Craig'）、雪佛里椰子（Chamaedorea se-ifritzii）、常春藤（Hedera helix）、垂叶榕（Ficus benjami-na）、白鹤芋（Spathiphyllum wallisi1‘Clevelandii'）、黄椰子（Chrysalidocarpus lutescens）和中斑香龙血树（Dra-caena fragrans‘Massangeana'）。因為多肉植物在夜间吸收C02的独特生理方式，Raza SH等[27]对几种多肉植物去除室内C02进行研究，结果证明不同品种在不同季节对C02的吸收能力存在差异。

国内研究开展较晚。黄爱葵等[28]考虑密封舱材料以及湿度对植物吸收甲醛的影响而改良了Dr.Wolverton的试验装置，实验结果与前人相反，证明中斑吊兰吸收甲醛的效果最差，这与实验装置的改进有关。研究还发现吊兰吸收甲醛的能力较强但受害严重，植物还能够通过叶片的气孔向大气中释放各种挥发性有机物，包括异戊二乙烯、萜烯类、乙醇、甲醚和醚类等。刘艳菊等[29]通过对两种苯净化效果好的植物大花蕙兰“黄金小神童”（Cymbidium Golden Elf）和燕子掌（Crassula portulacea）进行不同浓度苯气的长期熏蒸，确定它们对苯气污染物均具有较好的耐性，它们的生理参数和抗氧化系统具有各自的先天优势，且苯气熏蒸对这种优势无明显影响。吴仁烨等[30]通过比较在自然状态和放置植物源负离子发生器两种状态下，对玻璃室内的负离子、正离子和安倍指数等指标进行研究发现，在玻璃室内放置植物源负离子发生器可显著提高室内空气质量。

5 展望

大量研究证实，能够净化室内空气污染的植物种类很多，但由于人们对室内空气污染的危害了解不够深刻[31]，室内空气污染问题仍未得到根本解决。其次是室内盆栽植物种类繁多，不同植物品种在不同时间对不同空气污染物的净化效果各不相同[32]。而试验研究报道的植物及其生长状况又各不相同，难以确定植物净化能力的最佳时期。另外，试验研究所使用的污染物种类[33]不同以及浓度的差异，必然会对试验植物的生理活动产生影响。而试验研究大都在模拟试验箱或试验室中展开，与实际生活环境存在一定的差异。因此，如何使试验环境更接近实际生活，是获取准确试验数据的关键[34]。

目前，国外植物净化的研究重点是关于植物在复合与动态污染环境下的净化效果，以及植物对空气污染物的净化作用机理的研究，但这类研究在国内开展相对较少。室内盆栽植物对空气净化的研究集中在以下几个方面：一是对植物净化污染气体机理的研究，解析植物对污染物的净化方式和净化流程;二是需要加强室内空气的复合动态污染和植物对空气污染物抗性的研究[10，35]。在实际生活中空气污染具有动态性和复合性的特点，单一的实验室条件下，难以确定某一污染物的存在是否会影响植物对其他污染物的吸收净化能力;植物对不同污染物的抗性差异也决定能否选用该植物进行室内空气净化，或者选用该植物进行室内空气质量的检测。三是通过生物技术培育植物新品种，提高植物净化能力的研究。

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