室内化学污染气体的植物监测研究进展

2013-04-07鲁敏刘顺腾赵洁

山东建筑大学学报 2013年1期

鲁敏，刘顺腾，赵洁

(山东建筑大学艺术学院，山东济南 250101)

0 引言

现代人类已经继第一污染时期—煤烟型污染和第二污染时期—光化学烟雾污染后，进入以室内化学污染为标志的第三污染时期[1－2]。

美国在室内环境大会上的报告指出，68%的疾病是由室内化学污染造成，在我们日常居住或工作的空间中，存在不少于900种的化学污染物，部分污染物的浓度甚至超出了室外浓度的百余倍之多[3];在日本，因室内装修有机材料不合格，导致30%的住户产生了“新居综合症”[4];英国、西班牙、澳大利亚等国家，因工业发展而造成的室内化学污染污染也不胜枚举，并且每年都会有大量的人员伤亡[5]。我国室内装饰协会环境监测中心数据显示，每年因室内化学污染引起的死亡人数已达11.1万人[6]。由此可见，室内化学污染及其对居住环境的影响，已成为目前城市环境面临的主要问题。

据统计，现代人每天都有80% ～90%的时间在室内生活、学习和工作，其中在居室中度过的时间更是超过了60%，室内空气质量对人体健康具有直接影响[7]。近年来，随着室内装修装饰的大量涌现，装饰材料不合格，管理监督体制不完善等问题也随之而来，导致室内化学污染物不断超标，室内空气质量日趋下降，对人们的身体健康和生命安全造成了严重威胁[8]。

世界卫生组织已将室内化学污染列为对公众健康危害最大的五种环境因素之一，所造成的危害也成为全世界最普遍关注的问题，如何安全有效的监测、控制室内化学污染，已经成为亟待解决的课题[9]。目前，国内外针对室内化学污染的监测技术开展了许多相关研究，其中植物监测作为一种经济、方便和准确的方法，已逐渐成为室内化学污染监测的重要技术手段，是当代生态学研究的热点与前沿学科之一[10]。

1 室内化学污染与植物监测

1.1 室内化学污染

室内化学污染是指某些对人体有害的化学物质进入室内环境后所造成的污染[11];文中特指因甲醛和苯而造成的室内环境污染。

室内化学污染具有挥发周期长，影响范围广、污染物种类多等特点，能够随着时间推移，在居室内不断积累，对人体健康造成了极大危害[12]。其中甲醛和苯是室内三大“隐形杀手”的主要组成部分，已成为室内环境中危害最大的两种化学污染物[13]。甲醛被世界卫生组织确定为致癌和致畸物，能引发鼻窦癌和鼻腔癌;而苯极易诱发白血病，是潜在的强致突变物，公认的变态反应原[14]。

1.2 植物监测

植物监测是研究植物在污染环境中的生长状况及生理指标变化，即研究植物与污染环境之间的变化关系。植物在外界污染胁迫下，其叶片会出现不同程度的受害症状，同时伴随着光合作用减弱，呼吸作用加强等生理活动[15]。因此，依据植物的外部形态伤害和生理特性变化，可以有效的监测室内化学污染状况。

室内化学污染涉及到多方面的环境问题，存在治理周期长，花费成本高等困难，而植物监测具有操作简单、经济实用的特点，是简洁、高效的室内化学污染监测技术。与此同时，监测植物对美化室内空间、净化室内空气、增加生活情趣也有极大帮助。

2 植物对室内化学污染气体的监测指标

目前，国内外学者对室内植物的监测能力研究逐渐由宏观向微观转变，即从植物的外部数量性状观测转变到植物的生理生化指标测定，并逐步向分子基因水平多序列研究发展。

2.1 外部数量性状

2.1.1 形态指标

污染物能够通过根系呼吸进入植物体内，此外还可以由植物叶片的表皮细胞、角质层、气孔等进入。通常植物叶片与污染物的接触面积较大，所受到污染物的冲击也更明显。因此，植物叶片表皮细胞的排列状况、角质层、细胞壁的厚度大小，都能对植物污染监测能力产生直接影响。Tsh(1976)进行苜蓿、豌豆、黄瓜和蚕豆实验时，对它们的表皮细胞排列、细胞壁、角质层厚度，叶肉组织等指标进行测量，建立了旱生形态指数，在研究其与植物抗性能力之间的关系后指出，该指数可以用来作为植物监测室内化学污染危害的抗性指标[16]。

2.1.2 生长指标

植物对污染环境的监测效果能够通过其生长状况直观表达出来。因此，根据植物的生长指标，能够快速、简便的筛选对室内化学污染较为敏感的植物。然而，植物在正常生长条件下，其发育状况受多方面因素的影响，仅凭借单一的生长指标，并不能准确判断植物对污染物的敏感性。刘世忠经过长期研究后创建了综合生长比值法，即通过植株的树干直径、株高、冠幅等长势，推断污染物对植物的危害程度，以此判断植物的敏感监测能力[17]。

2.2 生理生化指标

2.2.1 细胞膜透性

细胞膜具有选择通透性，在不断变化的环境中，必须保持自身的稳定状态才能生存。当污染物浓度达到植物伤害阈值之前，细胞膜渗透率会呈现一定程度的波动，而如果污染物浓度超过了植物伤害闽值，渗透率则会显著增大，导致Na+、K+等电解质渗漏量大增，造成严重的生理伤害。利用植物的这种特性，研究植物叶片电解质渗透率或导电率变化，可以更为直观的反映植物在污染胁迫下的细胞膜透性变化[18]。因此，细胞膜透性变化是衡量植物胞稳定与否的重要生理指标。

2.2.2 脱落酸含量

在室内污染胁迫下，植物能够分泌脱落酸(ABA)调节叶片气孔大小，以此减少细胞对污染物质的吸收，从而保护植物生理稳定。研究表明，在逆境胁迫下脱落酸能够提高植物体内脯氨酸含量，提升细胞膜稳定性，还能参与逆境胁迫的相关基因转达[19]。因此，脱落酸含量变化是衡量植物细胞膜稳定与否的重要生理指标。

2.2.3 脯氨酸含量

植物在污染的室内环境中生存，其体内的脯氨酸含量也会因为污染胁迫而发生变化。Silberstein通过对地衣类植物的长期研究发现，在逆境中抗性强的植物体内分泌积累的脯氨酸含量比敏感性植物要更多。植物在逆境中积累增加脯氨酸，能够维护细胞功能完善，使细胞结构免受伤害，从而提高植物抗性，是一种正常的生理反应[20]。因此，脯氨酸能够调节细胞质浓度，维护细胞膜透性稳定，是反应植物在逆境条件下的抗性指标。

2.2.4 过氧化物酶(POD)活性

过氧化物酶(POD)在植物体内广泛分布，其活性通常与植物的光合作用、呼吸作用的强弱有关，而在植物生长过程中，随着组织老化或幼芽产生，也能发生一定变化[21]。一般老化组织中活性较高，幼嫩组织中活性较弱，这是因为过氧化物酶能促使组织中所含的某些碳水化合物转化形成木质素，增加木质化程度。所以在室内化学污染胁迫下，POD活性通常用作判断组织老化程度的生理指标。

2.2.5 丙二醛(MDA)的含量

丙二醛(MDA)是由于植物器官衰老或在逆境条件下遭受伤害，其组织或器官膜脂质发生过氧化反应而产生的，其含量与植物衰老及逆境伤害有密切关系[22]。在逆境胁迫下，受自由基作用影响，植物脂质层能够发生氧化反应，导致体内MDA含量上升，引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合，且具有细胞毒性，从而威胁植物细胞稳定。氧自由基不但通过生物膜中的多不饱和脂肪酸的过氧化引起细胞损伤，而且还能通过质氢过氧化物的分解产物引起细胞损伤，因此，植物体内MDA的含量，是用来衡量脂质层稳定状况，细胞稳定程度的重要生理指标。

2.2.6 过氧化氢酶(CAT)活性

植物在逆境胁迫下容易产生一种代谢废物——过氧化氢，能够对植物机体造成损害。为避免这种损害，过氧化氢必须被快速地转化为其他无害或毒性较小的物质。过氧化氢酶(CAT)在植物的所有组织中均有分布，通常位于一种被称为过氧化物酶体的细胞器中，是细胞中用来催化过氧化氢分解的主要工具。过氧化氢酶活性与植物的代谢强度及抗寒、抗病能力都有一定关系，故常作为植物在逆境中的生理变化指标[23]。

2.3 综合指标

植物对室内化学污染的抵抗能力，受多方面因素影响，不同植物因其控制基因性状不同，敏感性也会产生较大区别[24]。植物的生理特性研究，虽然能在短时间内显示某一植物对污染物的敏感监测能力，但不同生理指标在相同污染浓度下，其变化程度也存在较大差异，因而单一生理指标研究并不能代表所有植物对污染物的敏感性;而植物的外部数量性状，虽然能较为直观的反应植物在污染条件下的生长状况，但一次形态观测实验往往需要较长时间，而所采用的植物种类也具有局限性，并不能完全反映不同植物的性状变化。

利用综合指标研究植物对逆境的敏感监测能力，能够有效解决这些困难，从而更直接、更准确的判断植物敏感性。目前，关于植物监测室内化学污染的综合指标研究还较少，可以植物监测大气污染的综合评价指标为参考依据，即建立室内化学污染植物监测综合评价体系。综合比较各类方法，可选择以下两种作为参考:一方面是构建植物生理指标评价方法，将实验数据分级评价，随后将各评价级别分别相加，根据总级别值评价植物敏感性;另一方面是建立隶属函数，根据实验数据生理变化指标，将实验隶属值累计相加，最后取平均值，比较平均隶属值大小，以此评定植物敏感性。

3 植物对室内化学污染气体的监测研究进展

3.1 国外植物监测研究进展

国外关于植物监测的研究，最早起始于19世纪，在这一时期研究者开始关注植物叶片在污染环境中的受害反应，并将其应用于监测大气SO2污染的实验，随后又扩广于 Pb、Cr的等土壤污染监测中[25]。进入20世纪后，植物监测得以继续发展，Kolkwitz和Marsson根据水生植物在污染水体中的受害症状，判断水体污染状况，以此研究污水植物生态修复系统[26]。20世纪中期，英国科学家将苔藓放入特殊采样袋后，选择合理的观测点，通过苔藓生理生化指标来监测城市大气污染，最终取得较好效果[27]。

随后西欧、美国等地区的研究者，在前人研究基础上，陆续将地衣类、蕨类植物应用到环境污染监测中，加拿大学者还以此为依据，绘制了城市SO2污染分布图，为后期的污染处理带来方便[28];美国学者则通过蛋白质、核酸等分子生物学，诱导雄性鸭拓草基因变异，并应用到城市酸雨污染监测中，以此判断酸雨危害程度[29]。由此可见，植物监测环境污染在现代城市中的应用越来越广泛，并起着至关重要作用。

3.2 国内植物监测研究进展

国内关于植物监测能力的研究起步较晚，大多都集中于植物监测大气污染方面，而关于植物对室内化学污染的监测研究在近几年才有所突破。2006年，桂怿霖在相同苯浓度条件下对洒金桃叶珊瑚(Aucuba japonica var.variegata)的敏感性进行了相关实验研究，并表明洒金桃叶珊瑚能够有效监测室内苯污染[30];2007年，王利英通过研究表明:植物在甲醛超标的居室环境中，叶片、细胞等都会受到不同程度的损害[31];2010年，郝辉芳通过对吸毒草(Melissa officinalis)、吊兰(Chlorophytum comosum)、蟹爪兰(Zygocactus truncatus)在不同浓度甲醛污染下的细胞响应研究，指出监测能力最强的植物为吸毒草[32];2011年，令狐昱慰、刘栋等通过实验证明:在相同甲醛条件下，蚊净香草(Pelargonium saivia)、吊竹梅(Zebrina pendula)、鸡冠花(Celosia cristata)、蓝花鼠尾草(Salvia farinacea)、新几内亚凤仙(Impatiens linearifolia)、彩叶草(Coleus scutellarioides)、吸毒草等植物的抗性较弱，敏感监测能力较强[33－34]。

综合比较国内外学者对不同室内植物监测能力的研究，均表明:不同种类的耐荫观叶植物在相同污染条件下表现出来的敏感性也存在较大差异。通过分析敏感性与植物叶片类型之间的联系得知，革质化程度较高、叶面覆蜡质层的植物抗性相对较高，敏感性较低;而叶表面粗糙或带绒毛的植物抗性则要相对较低，敏感性较强。由此推断，植物对室内化学污染监测能力的大小与植物叶片类型之间也存在一定的相关关系。

4 展望

室内化学污染的自身典型特征，使得植物监测技术研究成为一个长期课题，也必将成为城市生态居室构建的热点学科[35－37]。尽管植物监测技术在室内化学污染的监测中承担着至关重要作用，但目前所进行的研究尚存不足，仍需更深入的研究，如:(1)大多数研究中污染物的质量浓度未能降低到国际标准以下，这与室内植物的敏感监测能力、植物体自身的代谢能力以及生理生化特性等是否存在一定的相关联系;(2)植物在持续室内化学污染胁迫下的植物能够保持多长监测时间，受胁迫后的植物能否恢复到之前的良好状况;(3)进一步研究敏感监测植物的作用机理，从遗传学方面研究敏感植物相关基因的表达调控，为其敏感监测能力遗传改良奠定基础;(4)建立完善的植物敏感监测能力综合评价标准。

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