鐘嬌嬋， 李 劍， 占 婷， 劉慶輝， 楊 航， 郭 諜， 顏流水

南昌航空大學, 重金屬污染物控制與資源化國家地方聯(lián)合工程研究中心， 江西 南昌 330063

甲醛(formaldehyde)是最簡單的醛類，被廣泛應用于各種領域，如合成樹脂、膠水及皮革的制造等[1-2]. 甲醛對機體的毒害作用主要包括刺激作用、致敏作用、遺傳毒性和癌癥、神經(jīng)毒性及生殖毒性等作用[3]. 有研究表明，2002—2015年，我國39個城市室內平均φ(甲醛)為0.11×10-6[4]，且2006—2015年，寧夏回族自治區(qū)空氣中甲醛柱濃度年均增速達1.1×1015moleccm2[5]. 另外，一項針對我國乘用車內空氣污染現(xiàn)狀的研究發(fā)現(xiàn)，甲醛對男性職業(yè)司機致癌風險的濃度為US EPA(美國環(huán)境保護局)規(guī)定基準值(1×10-6)的60.67倍[6]. 因此，隨著人類現(xiàn)代生活環(huán)境的改變，在諸多揮發(fā)性有機污染物中，甲醛因其來源廣、污染面廣、濃度高及危害大而逐步成為室內環(huán)境污染中的主要有機污染物，引起了人們的廣泛關注.

目前去除室內甲醛的技術主要有生物降解作用、活性炭纖維吸附、光催化氧化以及臭氧氧化等[7]. 張義安等[8]于2018年的研究表明，通過多胺高分子接枝改性活性炭吸附材料(ACm-g-PAH)對甲醛的去除率最高達99.4%. 但是吸附劑的定期更換處理，使其處理效率和經(jīng)濟效益難以權衡. 對于光催化氧化技術來說，其實際應用也面臨著如催化劑的使用壽命短及易產(chǎn)生二次污染等問題[9]. 因此，植物修復技術因其適用性強、綠色環(huán)保且經(jīng)濟效益好，受到越來越多的關注. 在日常生活場所擺放盆栽植物，不僅有利于愉悅身心，還可改善居住環(huán)境和提高工作積極性[10-12]. 植物通過生命活動和根系微生物的高活性能可有效去除揮發(fā)性有機污染物[13]. 如φ(甲醛)為0.54×10-6～13.35×10-6時，袖珍椰子在48 h內可去除65%～100%的甲醛氣體[14]. 植物凈化甲醛的過程中，在FDH(formaldehyde dehydrogenase，甲醛脫氫酶)的作用下將甲醛氧化生成CO2，進入卡爾文循環(huán)同化為葡萄糖或氨基酸、脂類、游離糖、有機酸和細胞壁成分等[15-16]. 此外，植物還可去除水中的甲醛，如水葫蘆可以在144 h內完全清除水中濃度為200×10-6的甲醛[17]. 而吊蘭是我國常見的室內景觀盆栽，屬多年生常綠草本植物，性喜溫暖濕潤、半陰的室內環(huán)境，且有較強的空氣凈化能力. XU等研究發(fā)現(xiàn)，吊蘭對甲醛的去除率高于蘆薈、綠蘿等植物[13]，且吊蘭莖葉系統(tǒng)對甲醛的凈化率達88%[18].

植物葉片中w(葉綠素)和ρ(游離蛋白質)的變化是監(jiān)測植物生長過程中遭受損害程度的良好指標[19-20]. 有研究[21]表明，植物經(jīng)過甲醛的熏蒸處理后，其w(葉綠素)下降，而ρ(游離蛋白質)上升，如綠蘿經(jīng)過不同濃度的甲醛氣體熏蒸后，w(葉綠素)下降了9.9%～15.8%，ρ(游離蛋白質)上升了7.1%～20.0%. 另外，當植物葉片受損時，其電導率會增加[22]. MDA(malonaldehyde，丙二醛)是導致植物體內脂質過氧化的重要產(chǎn)物，在甲醛脅迫下會大量積累[23]. 而抗氧化酶能清除組織中的活性氧以降低細胞脂質化作用[24]. 因此，SOD(superoxide dismutase，超氧化物歧化酶)和POD(peroxidase，過氧化物酶)的活性會顯著提高，同時，CAT(catalase，過氧化氫酶)活性降低[25-26]. 如SU等[27]研究發(fā)現(xiàn)，白藜葉提取物主要通過酶促反應和氧化還原反應來降解甲醛.

綜上，利用植物凈化室內空氣中的甲醛不僅環(huán)保經(jīng)濟且科學有效. 雖然很多學者已對吊蘭去除甲醛的性能進行過研究，但大多數(shù)都是研究其總體的去除率[13-14]，沒有對其在不同時間段內的去除率進行深入分析，且大都是采用靜態(tài)熏蒸系統(tǒng)[18,21]，不能模擬正常室內空氣流通的環(huán)境. 鑒于此，該研究采用動態(tài)熏蒸系統(tǒng)和攝像頭在線監(jiān)測系統(tǒng)，在長達7 d的熏蒸期內，進行24 h在線監(jiān)控，對不同時間段內的甲醛去除率進行詳細分析；另外，對熏蒸前后全綠吊蘭盆栽葉片中w(葉綠素)、ρ(游離蛋白質)、MDA含量、H2O2含量、羥自由基含量、電導率和SOD、POD、CAT活性以及T-AOC(total antioxidant capacity，總抗氧能力)等生理指標變化進行檢測. 以期進一步揭示全綠吊蘭盆栽與大氣中甲醛相互交換的機理，為進一步探索室內全綠吊蘭盆栽去除甲醛的作用機制提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

注： 1—氣體循環(huán)泵；2—三通；3—氣閥；4—甲醛溶液； 5—緩沖室；6—甲醛在線檢測儀；7—網(wǎng)絡攝像頭； 8—小風扇；9—供試全綠吊蘭盆栽；10—溫室度計； 11—反應室；12—DNPH甲醛吸收液.圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental setup

試驗所用動態(tài)熏蒸系統(tǒng)裝置如圖1所示，裝置主要有四部分： ①甲醛氣體產(chǎn)生系統(tǒng)，氣體循環(huán)泵抽取的大氣經(jīng)過稀釋后的甲醛溶液，吹出甲醛氣體，通過閥門和流量計聯(lián)合調節(jié)氣體流速來獲得不同φ(甲醛)的氣體，并輸送至緩沖室(40 L，Tedlar，USA). 試驗中入口φ(甲醛)的變化率維持在±5.0%以內. ②氣體緩沖系統(tǒng)，在緩沖室中懸掛的小風扇將甲醛氣體混勻，由氣體循環(huán)泵輸送至反應室，由甲醛檢測儀(ADL-600B-HCHO，ANDEIL，深圳市安德量科技有限公司)測定進口φ(甲醛). ③全綠吊蘭盆栽反應系統(tǒng)，全綠吊蘭盆栽在反應室中與甲醛進行反應，懸掛的小風扇維持裝置內氣體的流動性，采用溫濕度計測定反應室中的溫度與相對濕度，同樣采用甲醛檢測儀測定出口φ(甲醛)，最后殘留尾氣通過DNPH鹽酸溶液洗氣瓶后排出系統(tǒng). ④在線監(jiān)測系統(tǒng)，由兩個網(wǎng)絡攝像頭(YI，1080p，上海小蟻科技有限公司)對試驗過程進行24 h監(jiān)控，主要記錄進出口φ(甲醛)以及裝置內全綠吊蘭盆栽生長狀況和溫濕度計讀數(shù).

1.2 試劑和材料

測試盒(南京建成生物工程研究所)；化學試劑主要有甲醛溶液(37.5%)、丙酮溶液(99.5%)、2,4-二硝基苯肼(DNPH)、碳酸鈣(99.0%)、二氧化硅(99.0%)、乙醇(99.7%)和冰乙酸(99.5%)等，均購于西隴科學股份有限公司.

該試驗對象選用全綠吊蘭盆栽，購于南昌花鳥市場，購買回來后放置于實驗室內馴養(yǎng)30 d. 開展試驗前各盆植株長勢良好，莖葉無任何不良癥狀. 為了防止熏蒸試驗過程中盆栽基質對甲醛氣體的吸附作用和相互反應影響試驗實際數(shù)據(jù)，在試驗前采用錫箔紙將全綠吊蘭盆栽的栽培器具、栽培基質及根部全部包裹封閉.

1.3 試驗步驟

試驗過程分3個階段進行：①裝置校準. 不放任何植物，向裝置通入甲醛氣體，比較裝置進出口φ(甲醛)大小，以排除因系統(tǒng)滲漏、室內水蒸氣和裝置內表面吸附、光降解以及其他化學反應造成的甲醛損失. ②全綠吊蘭盆栽熏蒸試驗. 供試植物只暴露莖葉部分，其余均用錫箔紙包裹，放置于反應室中，然后連續(xù)通入7 d甲醛氣體. 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在2010年對廣東、云南、福建等省份的85家木質家具制造企業(yè)進行現(xiàn)場檢測的結果顯示，甲醛超標的企業(yè)占76.9%，最高超標倍數(shù)為116倍，即φ(甲醛)最高時達11.6×10-6[28]. 因此該試驗選擇4種不同φ(甲醛)(0、1×10-6、5×10-6和8×10-6)，其中，φ(甲醛)為0的一組為放置于室內正常環(huán)境培養(yǎng)的對照組，每組進行3次平行試驗. 熏蒸過程中，利用網(wǎng)絡在線攝像頭全程監(jiān)控，每0.5 h記錄一次進出口φ(甲醛)以及反應室內溫度和相對濕度，分別研究不同φ(甲醛)及不同時間段(如白天與夜間，上午與下午，前期和后期)全綠吊蘭盆栽對甲醛去除率的變化特征. ③生理生化特征測定. 全綠吊蘭盆栽經(jīng)過7 d甲醛熏蒸后取出，立即對其各項生理指標進行測定，分析其變化特征. ④葉片表面氣孔觀測. 采用電子顯微鏡(SAIKEDIGITAL，深圳賽克數(shù)碼科技開發(fā)有限公司)對經(jīng)過φ(甲醛)為8×10-6氣體熏蒸7 d后的全綠吊蘭盆栽葉片表面進行觀察拍照，與對照組對比分析其變化特征. ⑤植株修復初探. 分別測定經(jīng)過熏蒸后全綠吊蘭盆栽在第1、3、6、10、15天細胞脂質化生理指標MDA含量和總抗氧化能力T-AOC，分析其修復狀況，如果與對照組無顯著性差異，則推斷為基本修復至正常生長狀態(tài).

1.4 生理指標檢測方法

隨機摘取供試全綠吊蘭盆栽的葉片，稱取1 g新鮮樣本，按照質量(g)與體積(mL)比為1∶9的比例加入9 mL生理鹽水，冰浴(0～4 ℃)下研磨成組織勻漿，用冷凍離心機UGE(HC-2518R，安徽中科中佳科學儀器有限公司)在4 ℃、4 000 rmin(H2O2樣本為 8 000 rmin)下離心10 min. 取上清液為待測樣品進行各生理指標的測定.

w(葉綠素)采用丙酮可見光法進行測定；葉片的電導率采用電導儀(DDS-11A，上海霄盛儀器制造有限公司)檢測；全綠吊蘭盆栽的莖葉組織勻漿中MDA含量、ρ(游離蛋白質)、H2O2含量、羥自由基含量以及SOD、POD、CAT和T-AOC的活性等生理特性分別采用A003-1、A045-2、A064、A018、A001-1-1、A084-3、A007-1-1和A015-1型號的測試盒測定，這一系列試劑盒具有操作簡單，靈敏度高的特點[29]；采用分光光度計(UV-1800，島津，日本)測定吸光度.

1.5 數(shù)據(jù)分析

全綠吊蘭盆栽對甲醛的去除率計算公式：

RE=(1-CoutCin)×100%

(1)

式中：RE為去除率，%；Cout為出口φ(甲醛)，10-6；Cin為進口φ(甲醛)，10-6.

采用ANOVA水平檢驗數(shù)據(jù)間的差異顯著性(P<0.05).

2 結果與討論

2.1 甲醛去除率分析

注： φ(甲醛)為1×10-6.圖2 全綠吊蘭盆栽在甲醛熏蒸7 d(2018年7月6—13日)期間對甲醛的去除率及 裝置內溫度和相對濕度的變化曲線Fig.2 The variation of formaldehyde removal efficiency, temperatures and relative humidity of the green Chlorophytum under the formaldehyde fumigation conditions within 7 d (6th-13th July, 2018)

有研究[13-14]表明，室內盆栽在白天對甲醛的去除率要高于夜間. 由圖2可見，φ(甲醛)為1×10-6時，全綠吊蘭盆栽對甲醛的去除率在每天15:00左右開始迅速下降，05:00左右迅速上升，白天(06:00—18:00)的平均去除率為71.1%±0.2%，明顯高于夜間(18:00—06:00)的36.2%±0.2%. 通過相關性分析還發(fā)現(xiàn)，在整個熏蒸過程中，全綠吊蘭盆栽對甲醛的去除率與裝置內溫度、相對濕度的相關系數(shù)分別為0.49、0.52，其中在白天時其與相對濕度的相關系數(shù)高達0.99，可能是由于甲醛易溶于水，使得在溫度和相對濕度較高的環(huán)境下，更有利于全綠吊蘭盆栽對氣體甲醛的吸收與吸附作用，進而提高了去除率. 另外，該研究中，長達7 d的甲醛熏蒸處理對全綠吊蘭盆栽起到了一定的馴化作用，提高了甲醛的去除率，如后期(4～7 d)的平均去除率(57.0%±0.2%)高于前期(1～3 d)(51.9%±0.3%).

由圖3可見，全綠吊蘭盆栽在上午(06:00—12:00)對甲醛的去除率低于下午(12:00—18:00)，如φ(甲醛)為5×10-6時，上午、下午的去除率分別50.7%±0.1%和60.0%±0.0%，φ(甲醛)為8×10-6時分別為25.0%±0.1%和36.4%±0.0%. 另外，不同φ(甲醛)下，全綠吊蘭盆栽一天中去除率的最大值均出現(xiàn)在15:00左右，φ(甲醛)為5×10-6、8×10-6時的去除率分別為62.2%、38.9%. 通過對全綠吊蘭盆栽的甲醛去除率與相對濕度相關性分析發(fā)現(xiàn)，二者的相關系數(shù)高于0.98，因此，上午、下午的相對濕度差異有可能是引起該現(xiàn)象的重要原因之一.

另外，通過試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，全綠吊蘭盆栽的莖葉系統(tǒng)對氣體甲醛具有較高的去除能力，如當φ(甲醛)為1×10-6時，去除率最高可達95.2%. 但是，φ(甲醛)越高，植物葉片中MDA、H2O2等氧化物的積累也越多，進而細胞脂質化越嚴重，植物對甲醛的代謝活動也就越弱[21,26]，因而全綠吊蘭盆栽對甲醛的平均去除率也會隨著φ(甲醛)的升高而降低，如在φ(甲醛)為1×10-6、5×10-6和8×10-6時，去除率分別為54.4%、48.2%和30.7%. 有研究也發(fā)現(xiàn)，吊蘭屬植物對氣體甲醛有著較高的去除率，如采用φ(甲醛)為6.92×10-6的氣體對吊蘭處理24 h后，去除率約為88.0%[18]，采用φ(甲醛)為0.99×10-6的氣體對吊蘭處理74 h后，去除率則為68.0%[30].

2.2 葉片中w(葉綠素)和ρ(游離蛋白質)

φ(甲醛)10-6： A—0(對照組)；B—1；C—5；D—8.圖4 熏蒸后全綠吊蘭盆栽葉片中w(葉綠素)和 ρ(游離蛋白質)的變化Fig.4 The variations of chlorophyll and protein content in leaves of green Chlorophytum after fumigation with formaldehyde

全綠吊蘭盆栽的葉片中w(葉綠素)隨著φ(甲醛)的升高而降低，如采用φ(甲醛)為0.81×10-6～2.44×10-6處理后，w(葉綠素)降低了9.5%～14.1%[31]. 由圖4可見，與對照組相比，φ(甲醛)由1×10-6升至8×10-6時，葉片內w(葉綠素)降低了8.6%～22.2%. 另外，由于甲醛熏蒸對葉片造成了損害，葉片內部組織中游離蛋白質狀態(tài)發(fā)生改變，無法與磷脂分子正常轉換，進而造成了游離蛋白質的積累[32]. 因此，φ(甲醛)為1×10-6、5×10-6和8×10-6時，全綠吊蘭盆栽的葉片中ρ(游離蛋白質)分別增加了17.6%、32.0%和44.6%.w(葉綠素)和ρ(游離蛋白質)的變化表明，其光合作用減弱及蛋白質轉換途徑受阻是甲醛去除率降低的原因之一.

2.3 葉片中氧化物的含量

由圖5可見，全綠吊蘭盆栽葉片中各氧化物含量均隨φ(甲醛)的上升而升高，如φ(甲醛)為1×10-6時，電導率比對照組增加了25.1%，φ(甲醛)為8×10-6時的增幅高達165.8%；φ(甲醛)為8×10-6時，MDA含量為3.6 nmolg，是對照組的2倍；φ(甲醛)為1×10-6、5×10-6、8×10-6時，H2O2含量較對照組(3.16 mmolg)分別增加了96.5%、314.6%和522.2%，羥自由基含量較對照組分別增加了10.1%、21.1%、41.5%. 這一系列氧化作用的指標均隨φ(甲醛)的升高而增大，其中，電導率增加促使細胞膜通透性變大，MDA、H2O2及羥自由基等氧化物的過度積累會破壞葉片組織的正常代謝活動及抗氧化系統(tǒng)的調節(jié)作用[33-34]，阻礙全綠吊蘭盆栽對甲醛氣體的降解進程，因此這一系列氧化指標的上述變化情況也是全綠吊蘭盆栽對甲醛去除率降低的原因之一.

2.4 葉片中抗氧化酶的變化

植物在甲醛脅迫的環(huán)境中，酶促系統(tǒng)中的抗氧化酶能有效地清除組織中過度積累的氧化物并對甲醛實現(xiàn)降解[27]，但隨著甲醛濃度的升高，植物葉片中各抗氧化酶活性的變化趨勢不同，如常春藤、驅蚊草和綠蘿葉片中SOD活性及POD活性升高，CAT活性則降低[35]. 由表1可見，在φ(甲醛)為1×10-6、5×10-6和8×10-6時，全綠吊蘭盆栽葉片中SOD活性較對照組分別提高了8.8%、15.6%和44.4%，POD活性分別提高了32.1%、72.6%和118.7%，CAT活性則降低了2.4%、17.1%、26.8%，T-AOC活性提高了13.%、39.8%、85.3%. 可見，隨著葉片中MDA、H2O2及羥自由基等氧化物的積累，全綠吊蘭為了維持正常生長，抗氧化系統(tǒng)中抗氧化酶的總體活性開始增強，對過度積累的氧化物進行清除，環(huán)境中的甲醛氣體隨之得到降解.

2.5 熏蒸前后葉片及氣孔形態(tài)變化

全綠吊蘭盆栽經(jīng)過φ(甲醛)為8×10-6的氣體熏

注： 數(shù)據(jù)為平均值±SD(n=3). *表示各組數(shù)據(jù)間差異性顯著(P<0.05).

蒸 7 d 后，葉片表面氣孔的形態(tài)發(fā)生了明顯改變，對照組中各氣孔的大小和形狀相似且排列有序，熏蒸后卻變得大小不一，呈細小狹長狀，且氣孔開度明顯變小，部分呈閉合狀態(tài)(見圖6). 有研究[36-37]提出，植物葉片氣孔的密度、大小及形狀會因脅迫條件的作用而改變，其通過調節(jié)與空氣的交換率來保護自己免受或減少侵害. 因此，全綠吊蘭盆栽葉片氣孔有效面積的減小，可能是對甲醛去除率降低的重要原因之一. 另外，經(jīng)甲醛熏蒸后全綠吊蘭盆栽外觀無明顯變化，仍能保持正常生長，說明葉片組織中的抗氧化系統(tǒng)起到了有效的調節(jié)作用，推測全綠吊蘭盆栽對甲醛的耐受濃度應高于8×10-6.

注： 電子光學顯微鏡(×1 000).圖6 經(jīng)過φ(甲醛)為8×10-6的氣體熏蒸7 d后全綠吊蘭盆栽葉片表面氣孔形態(tài)的變化Fig.6 The variation of stomatal morphology of the green Chlorophytum leaves were observed after fumigation with formaldehyde (8×10-6) for 7 d

2.6 全綠吊蘭盆栽修復期間生理特征的變化

全綠吊蘭盆栽經(jīng)過φ(甲醛)為8×10-6的氣體熏蒸7 d后，置于正常室內環(huán)境中繼續(xù)栽培，并在恢復過程中不同時間段測定其葉片中MDA含量與T-AOC活性，分別與對照組對比，若無顯著性差異則認為已恢復至正常生長狀態(tài). 由圖7可見，全綠吊蘭盆栽葉片中MDA含量和T-AOC活性均隨著修復時間的延長而逐漸降低. 第6天時，全綠吊蘭盆栽葉片中MDA含量比第1天時下降了24.8%，下降速率在第10天后趨于平穩(wěn)，至第15天時與對照組無顯著性差異；T-AOC 活性在15 d內均勻下降，在第15天時與對照組無顯著性差異. 可見，全綠吊蘭盆栽對甲醛氣體有較強的抗耐性，經(jīng)過濃度高達8×10-6的甲醛氣體處理后仍能在15 d左右恢復至正常生長狀態(tài).

圖7 全綠吊蘭盆栽在恢復15 d內葉片中 T-AOC活性和MDA含量的變化情況Fig.7 The variations of T-AOC and MDA content in leaves of green Chlorophytum in recovery period of 15 days

3 結論

a) 對全綠吊蘭盆栽進行7 d的甲醛熏蒸處理后發(fā)現(xiàn)，其莖葉系統(tǒng)對甲醛氣體有較高的去除率，且當天去除率的最大值出現(xiàn)在15：00左右；但是在不同時間段內的去除率有所差異，如白天高于夜間、熏蒸后期高于熏蒸前期、下午略高于上午.

b) 對全綠吊蘭盆栽葉片生理指標分析發(fā)現(xiàn)，除w(葉綠素)和CAT活性外，其他指標均隨著φ(甲醛)的上升而升高. 這一系列生理指標的變化反映了甲醛氣體與全綠吊蘭間的反應機制，如w(葉綠素)的減少使其光合作用減弱；ρ(游離蛋白質)及電導率的變化破壞了其植物組織的正常狀態(tài)；MDA、H2O2及羥自由基的積累會導致全綠吊蘭盆栽莖葉系統(tǒng)內氧化作用增強；而抗氧化系統(tǒng)酶的總活性增強則有效地抵抗了甲醛氣體造成的毒害作用.

c) 較高濃度的甲醛氣體促使全綠吊蘭盆栽的葉片表面氣孔形態(tài)發(fā)生改變，對植物與大氣的氣體交換作用造成了影響，降低了其對甲醛的去除率；但是全綠吊蘭盆栽的莖葉表面無明顯受損癥狀，且熏蒸后在15 d左右即可恢復至正常狀態(tài).

d) 全綠吊蘭盆栽對甲醛氣體具有較高的去除能力，且有較強的抗耐性及自愈能力. 因此，利用全綠吊蘭盆栽凈化室內甲醛氣體污染不僅經(jīng)濟美觀效率高，還可持續(xù)性循環(huán)利用.