大氣化學污染的植物凈化研究進展
隨著世界各地工業化、城市化和現代化的迅速發展，由人為因素造成的大氣污染已成為人類面臨的嚴重環境問題之一。大氣污染已直接或間接地威脅著陸地生態系統和人類自身的健康和生存[1]。控制和治理大氣污染是維持和提高環境質量、保障生態安全和人體健康的迫切需要，也是社會經濟可持續發展的內在需求。
植物修復是一種經濟、有效、非破壞型的環境污染修復方式，具有操作簡單、成本低等特點，是一種易為社會公眾和政府管理機構接受的有潛力的修復工程技術。作為一項用于清除環境中有毒污染物的綠色修復技術，植物修復在土壤和水體污染治理方面研究較多并得到廣泛應用[2]。近年來，利用植物修復技術治理大氣污染尤其是近地表大氣的有機污染物與無機污染物的混合污染也逐漸成為國際上環境污染防治研究的前沿性課題。研究表明，綠色植物在近地表大氣污染物的清除中起著主要作用[3]。綠色植物都具有滯塵作用，能有效控制物理性大氣污染；而空氣中的病原體一般都附著在塵埃或飛沫上隨氣流移動，綠色植物的滯塵作用可以減小其傳播范圍，且植物的分泌物具有殺菌作用，可減輕生物性大氣污染；更重要的是植物可以監測和清除大氣中有毒化學物質，修復化學性大氣污染。本文擬就化學性大氣污染的植物凈化作一綜述，以期為大氣污染治理、園林綠化規劃及室內植物培育等方面的研究提供材料和開拓思路。
1 大氣化學污染植物凈化的機理
植物凈化化學性大氣污染的主要過程是持留和去除。持留過程涉及植物截獲、吸附和滯留等，去除過程包括植物吸收、降解、轉化、同化和超同化等。
1.1 植物持留與吸收作用
植物對污染物的持留主要發生在地上部分表面。持留是一種物理過程，其與植物表面的結構如葉片形態、粗糙程度、葉片著生角度和表面分泌物等有關[4]。植物可以有效地阻滯空氣中的浮塵、霧滴等懸浮物及其吸附著的污染物。研究表明，植物是從大氣中清除多環芳烴（PAHs）等親脂性有機污染物的最主要途徑，其吸附過程是清除的第一步[3]。
植物可以通過氣孔和角質層吸收大氣中的多種化學物質，包括SO2、Cl2、HF、重金屬等，并經由植物維管系統進行運輸和分布[5,6]。光照條件由于可以顯著地影響植物生理活動，尤其是控制葉片氣孔的開閉，因而對植物吸收污染物有較大的影響。植物通過濕潤的植物表面吸收可溶性污染物如SO2、Cl2和HF等；而對于揮發或半揮發性有機污染物的吸收與污染物本身的理化性質（分子量、溶解性、蒸氣壓和辛醇-水分配系數等）有關。對于植物如何從空氣中吸收重金屬的機理性認識還很有限，大多來自土壤和水中吸收重金屬的研究結果[7]。
1.2 植物降解作用
植物降解是指植物通過代謝過程來降解污染物或通過植物自身的物質如酶類來分解植物體內外來污染物的過程。目前，對有機污染物在植物體內的降解機理的了解遠遠少于在動物或微生物中的了解。Sandermann[8]認為植物含有一系列代謝異生素的專性同功酶及相應的基因。其代謝的主要途徑與在動物中的相似，但往往更復雜，有一個顯著的不同點是植物將代謝的產物以被束縛的狀態保存。參與植物代謝異生素的酶主要包括：細胞色素P450、過氧化物酶、加氧酶、谷胱甘肽S-轉移酶、羧酸酯酶、O-糖苷轉移酶、N-糖苷轉移酶、O-丙二酸單酰轉移酶和N-丙二酸單酰轉移酶等。而能直接降解有機污染物的酶類主要為：脫鹵酶、硝基還原酶、過氧化物酶、漆酶和腈水解酶等[9]。
1.3 植物轉化作用
植物轉化是指利用植物的生理過程將污染物由一種形態轉化為另一種形態的過程。如何防止植物增毒和如何強化植物解毒是利用植物轉化修復大氣污染物的關鍵。通常，植物不能將有機污染物徹底降解為CO2和H2O，而是經過一定的轉化后隔離在植物細胞的液泡中或與不溶性細胞結構如木質素相結合[10]，也有人認為一旦有機污染物進入植物體首先進行的就是木質化的過程[9]。因此，植物轉化是植物保護自身不受污染物影響的重要生理反應過程。植物轉化需要有植物體內多種酶類的參與，其中包括乙酰化酶、巰基轉移酶、甲基化酶、葡糖醛酸轉移酶和磷酸化酶等[11]。
1.4 植物同化和超同化作用
植物同化是指植物對含有植物營養元素的污染物的吸收，并同化到自身物質組成中，促進植物體自身生長的現象。其中最為典型同時也最重要的是植物通過光合作用對大氣中CO2的吸收和同化。植物還可以有效地吸收空氣中的SOx和NOx，并可將其轉化為硫酸鹽和硝酸鹽，再加以同化利用[12]。Omasa等[11]提出了具有超吸收和代謝大氣污染物能力的“超同化植物”的概念。超同化植物可將含有植物所需營養元素的大氣污染物如SOx和NOx等，作為營養物質源高效吸收與同化，同時促進自身的生長，這種現象也可稱為超同化作用。
2 大氣化學污染植物凈化的研究現狀
實際上植物對大氣污染的凈化作用很早就被注意到并得到應用，例如，在公路邊種植植物以減輕汽車造成的污染和在一些化工廠或類似的人為污染源附近種植大量植物來減輕污染并美化環境等。然而系統地研究大氣污染的植物凈化還是一項新興課題，其發展潛力巨大，應用前景明顯。
2.1 大氣污染植物凈化模型的建立
由于無法對每種植物凈化每種污染物的行為逐一研究，建立能夠預測污染物植物凈化的動態或靜態數學模型具有重要意義。植物吸收污染物有兩種主要途徑：一是根部吸收并通過木質部向上轉運分配；另一是葉片和表皮的氣孔或角質層吸收并通過韌皮部向下轉運分配。國際上對植物吸收污染物的模型研究較多，并建立了多種預測方程。
Riederer[13]基于污染物的揮發性用正辛醇/水分配系數、表皮/水分配系數、水溶性和飽和蒸氣壓等參數作為輸入數據建立了有機污染物在植物-大氣系統中的分配和轉運模型。Peterson等[14]在全面考慮了有機物在植物-大氣-土壤系統中地遷移轉化行為的基礎上，建立了有機污染物植物修復的根-莖-葉三廂質量平衡模型。隨后，Trapp等[15]將有機污染物在植物-大氣-土壤系統中復雜的動力學行為用單一方程表示，建立了一廂質量平衡模型。這些模型擬合了污染物在植物體內外的平衡狀況，分析了影響平衡的諸多因素，有助于進一步了解和提高植物吸收污染物的能力。但是每一模型僅對那些與所研究污染物結構類似的物質較為準確，無法對所有植物和污染物進行系統而準確地預測。
2.2 大氣無機物污染的植物凈化
大氣無機污染物主要有SO2、NOx、O3、HF、Cl2等。O3是近地表大氣中主要的二次污染物，可通過產生活性氧對動、植物造成傷害。可以利用專性植物有效地吸收空氣中的O3，并利用其體內的一系列的酶如超氧化物岐化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶等和一些非酶抗氧化劑如維生素C、維生素E、谷胱甘肽等進行轉化清除[16]。
SO2是城市的主要污染物之一，主要通過葉片進入植物體內，同時枝條的皮孔亦可少量吸收SO2，其吸收能力與植物組織細胞液的pH值有關。植物吸收的SO2部分參與植物的生命活動，部分通過根系排出體外[17]。魯敏等[18,19]研究測定了部分綠化樹種對主要大氣污染物——SO2、Cl2、HF和重金屬（Pd、Cd）的吸收凈化能力，結果表明：綠化樹種對大氣污染物具有一定的吸收凈化能力，并依污染物和樹種的不同具有明顯差異，其中對SO2吸收量高的有：加楊(Populus canadensis Moench)、花曲柳(Fraxinus rhynchophylla)等；對Cl2吸收量高的有：山杏(prunus armniaca)、糖槭(Acersaccharum)等；對HF吸收量高的有：棗樹(Zizyphus jujuba)、榆樹(Ulmus pumila)等；對Pd吸收量高的有：桑樹(Morus alba)、黃金樹(Catalpa speciosa)等；對Cd吸收量高的有：美青楊(Populus nigra var. italica ×P. cathayana)、旱樹(Salix matsudana)等。
NOx是另一重要大氣污染物，Morikawa等[12]研究了110種草本植物和107種木本植物同化NO2的情況，結果發現不同植物同化能力的差異達600倍，有9種植物同化NO2中氮的指數超過了10%，其中Solanaceae和Salicaceae兩個科中的植物具有較高的同化NO2能力，NO2中的氮源在這些植物的新陳代謝過程中起著重要的作用。植物體內與NO2代謝有關的酶和基因的研究已比較清楚。所涉及的酶類主要為硝酸鹽還原酶、亞硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶。這幾種酶的蛋白質性質、酶的組成、酶促反應的機理、基因的表達調控在Omasa等[11]的文章中已有比較詳細的闡述。這幾種酶的基因都已經被成功地轉入了受體植株中，并隨著轉入基因的表達和相應酶活性的提高，轉基因植株同化NO2的能力都有了不同程度的提高[20]。
2.3 大氣有機物污染的植物凈化
大氣中的有機污染物主要來源有石油化工工業廢氣、汽車尾氣、垃圾焚燒煙氣及裝修材料有機溶劑或助劑等。隨著人類活動強度的增加，大氣有機物污染日趨嚴重。已有實驗證明植物表面可以吸附親脂性的有機污染物如PAHs，其吸附效率取決于污染物的辛醇-水分配系數[3]。Niu等[21,22]研究了陽光照射下吸附在云杉(Picea abiea (L.) Karst.)針葉上的多氯代二苯并-對-二噁英和多氯代二苯并呋喃（PCDD/Fs）和PAHs的光解，認為云杉針葉上的臘狀成分可以作為質子供體而有助于加速PCDD/Fs和PAHs的降解。Trapp等[4]認為大氣中約44%的PAHs被植物吸收，從大氣中去除。他們還認為，植物在春季和秋季吸收能力較強，主要吸收較高分子量的PAHs，雖然植物不能完全降解被吸收的PAHs，但植物的吸收有效地降低了空氣中的PAHs濃度，加速了從環境中清除PAHs的過程。Kas等[23]觀察到幾種植物在無菌培養條件下能有效地降解多種烷烴和多氯聯苯（PCBs）。Barber等[24,25]研究了PCBs在大氣與常綠灌木葉片之間的遷移機制與模型，發現植物有較好的凈化PCBs的作用。Chroma等[26]發現植物體內的過氧化酶對PAHs和PCBs的降解有重要作用。Gordan等[27]的同位素標記實驗表明，植物雜交楊中的酶可以直接降解三氯乙烯（TCE），先生成三氯乙醇，再生成氯代乙酸，最后生成CO2和Cl2。
2.4 室內空氣污染的植物凈化
近年來，室內空氣污染引起了人們的廣泛關注[28]。現代室內的裝飾、裝修，使得室內甲醛、苯系物、氨氣、臭氧和氡氣等污染物濃度水平遠遠高于室外[29]。于桂蘭等[30]對廣州市50多戶新建住房進行了檢測，發現總揮發性有機物、甲醛、苯等主要污染物均不同程度超標。綠色植物兼具美化環境和控制室內空氣污染的雙重功能，對于改善目前城市中人們的生活環境質量有著不可替代的作用，利用盆栽植物來凈化室內空氣是當前的研究熱點之一。Corneji等[31]發現植物可以有效地吸收空氣中的苯、TCE和甲苯，不同植物對不同污染物的吸收能力有較大的差異。有報道[32]表明常青藤(Hedera nepalensis var.sinensis)、龍舌蘭(Agave americana)等可以有效除去辦公室中從香煙、人造纖維和塑料中釋放的苯，蘆薈(Aloe)、香蕉(Musa spp)、垂掛蘭(Agave americana)等對隔熱泡沫和甲醛有凈化作用。Oyabu等[33]研究了盆栽植物空氣中甲醛的凈化能力，發現橡膠樹(Hevea brasiliensis)和蕨類植物的凈化量與甲醛濃度成線性關系，有的植物凈化量在一定濃度下可達到最大值，而有的植物的凈化量基本上保持不變。郭秀珠等[34]研究了吊蘭(Chlorophytum comosum)、虎尾蘭(Sansevieria trifasciata)、君子蘭(Clivia miniata)和橡皮樹(Ficus elastica)對甲醛、二甲苯和總揮發性有機物的吸收，結果表明這4種室內觀葉植物都能吸收室內有毒有害氣體，但作用效果差異明顯：虎尾蘭最佳，7d內室內甲醛、二甲苯和總揮發性有機物總量的減少率比對照分別多64.6%、61.4%和64.8%；君子蘭也有較強的凈化效果，而橡皮樹的效果最差。
3 研究展望
大氣污染是一個復雜的并涉及到多方面的環境問題。植物能否有效地清除大氣污染物和凈化大氣環境，受到諸多因素的影響和限制。這些因素除了來自植物和污染物本身外，還來自氣候和土壤等方面。雖然這些限制因素對大氣污染的植物凈化提出了挑戰，但是與此同時也給這種生物修復技術的研究與發展帶來了機遇。植物凈化污染大氣的思想及其技術對城市園林綠化、環境規劃和生態環境建設具有直接的指導意義和應用價值。例如在以煤煙型污染為主的城市和區域，應考慮多種植SO2凈化能力強的綠化植物；而在辦公室和新裝修房屋里，則應當擺放一些對苯、甲醛等揮發性有毒有機物有較強吸收能力的植物。然而，無論是近地表大氣污染植物凈化的理論本身還是其應用性的研究都處于剛剛起步階段，并在迅速發展，還有許多問題有待進一步研究探討，迫切需要的是運用生物學、化學、土壤科學、環境科學、農學等多學科的知識交叉、綜合地開展研究。
3.1 高效凈化植物的篩選
針對不同種類和濃度的污染物，篩選對污染物耐受性強、去除率高、生物量大的植物，研究環境因素對其凈化效果的影響。對土壤和水體污染方面的篩選已經進行了很多，而對大氣污染方面的篩選工作還很不夠。由于污染物的種類繁多，完全依賴反復試驗的方法來篩選高效率的凈化植物是困難的，通過對已知凈化用植物修復機理的研究和鑒定相關植物酶的種類與含量來定向篩選對某類化合物有特異清除能力的植物將是一種可行的方法[9]。
3.2 污染物在植物體內的轉化機理研究
系統地研究污染物在植物體內的代謝轉化機理對篩選凈化用植物和制訂凈化方案有決定性作用。大氣中有害物質通過吸收與代謝轉移到植物組織，這種轉移是否為有毒有害物質的累積過程，有害化學物質如果未被生物降解而直接被植物吸收累積存在于植物體內，則對當地的野生動物和人類構成另一種潛在的威脅。深入研究污染物在植物體內遷移、轉化和代謝的動力學，確定控速步驟，以便控制凈化效果，研究開發分析植物組織中污染物及其代謝產物的新型、高效可靠的分析方法與設備也是很有意義的課題。
3.3 聯合修復技術的開發
植物可以通過其地上部分的葉片氣孔及葉片表面直接吸收和清除大氣污染物，植物還可以通過其根系與根際微生物的協同作用來清除以沉降方式進入土壤和水體中的大氣污染物[35]。此外有研究表明，植物葉片的吸附有助于加速某些有毒難降解污染物的光降解[21,22]。因此，研究植物根系及其根系微生物的動態、開發植物-微生物等聯合修復技術將對污染環境的修復具有重要意義，從而改善和提高整體環境質量，保障生態系統和人類的健康。
3.4 凈化效果影響因素的研究
除植物和污染物本身的性質和結構外，植物凈化效果最大的影響因素無疑是氣候、土壤條件等與植物生長條件相關的因素[36]。如何在極端的氣候和環境條件下利用植物對大氣污染進行凈化是一個棘手的問題。植物在不同年齡和季節表現出的凈化能力不同也是植物凈化應用中的一個重要限制因素[9]。針對不同的氣候和土壤條件，構建不同生態型功能植物的組合以及優化農藝管理措施是一項能實現最佳植物凈化效果的研究工作。
3.5 轉基因技術的應用
雖然轉基因植物存在一定的安全隱患，我們也不應該因為轉基因植物可能帶來危害而放棄轉基因植物在修復污染環境中的運用，而應該考慮如何發展和“創造”安全有效的用于修復環境的轉基因植物[37]。通過轉基因植物來高效吸收與清除大氣環境中有毒化學污染物的前景是十分誘人的[38]，通過基因工程手段培育“超同化植物”和室內觀賞與空氣凈化兩用植物也是一項重要且有廣泛市場前景的研究工作。但是植物轉基因技術的應用還需要做很多的基礎性研究工作，如選擇合適的外源基因和宿主、如何使轉基因植物持續高效地表達外源基因等。隨著轉基因技術的發展，人們改造植物的能力將會越來越強，一大批更加適合污染環境修復的轉基因植物將會陸續出現。
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