大气化学污染的植物净化研究进展
随着世界各地工业化、城市化和现代化的迅速发展，由人为因素造成的大气污染已成为人类面临的严重环境问题之一。大气污染已直接或间接地威胁着陆地生态系统和人类自身的健康和生存[1]。控制和治理大气污染是维持和提高环境质量、保障生态安全和人体健康的迫切需要，也是社会经济可持续发展的内在需求。
植物修复是一种经济、有效、非破坏型的环境污染修复方式，具有操作简单、成本低等特点，是一种易为社会公众和政府管理机构接受的有潜力的修复工程技术。作为一项用于清除环境中有毒污染物的绿色修复技术，植物修复在土壤和水体污染治理方面研究较多并得到广泛应用[2]。近年来，利用植物修复技术治理大气污染尤其是近地表大气的有机污染物与无机污染物的混合污染也逐渐成为国际上环境污染防治研究的前沿性课题。研究表明，绿色植物在近地表大气污染物的清除中起着主要作用[3]。绿色植物都具有滞尘作用，能有效控制物理性大气污染；而空气中的病原体一般都附着在尘埃或飞沫上随气流移动，绿色植物的滞尘作用可以减小其传播范围，且植物的分泌物具有杀菌作用，可减轻生物性大气污染；更重要的是植物可以监测和清除大气中有毒化学物质，修复化学性大气污染。本文拟就化学性大气污染的植物净化作一综述，以期为大气污染治理、园林绿化规划及室内植物培育等方面的研究提供材料和开拓思路。
1 大气化学污染植物净化的机理
植物净化化学性大气污染的主要过程是持留和去除。持留过程涉及植物截获、吸附和滞留等，去除过程包括植物吸收、降解、转化、同化和超同化等。
1.1 植物持留与吸收作用
植物对污染物的持留主要发生在地上部分表面。持留是一种物理过程，其与植物表面的结构如叶片形态、粗糙程度、叶片着生角度和表面分泌物等有关[4]。植物可以有效地阻滞空气中的浮尘、雾滴等悬浮物及其吸附着的污染物。研究表明，植物是从大气中清除多环芳烃（PAHs）等亲脂性有机污染物的最主要途径，其吸附过程是清除的第一步[3]。
植物可以通过气孔和角质层吸收大气中的多种化学物质，包括SO2、Cl2、HF、重金属等，并经由植物维管系统进行运输和分布[5,6]。光照条件由于可以显著地影响植物生理活动，尤其是控制叶片气孔的开闭，因而对植物吸收污染物有较大的影响。植物通过湿润的植物表面吸收可溶性污染物如SO2、Cl2和HF等；而对于挥发或半挥发性有机污染物的吸收与污染物本身的理化性质（分子量、溶解性、蒸气压和辛醇-水分配系数等）有关。对于植物如何从空气中吸收重金属的机理性认识还很有限，大多来自土壤和水中吸收重金属的研究结果[7]。
1.2 植物降解作用
植物降解是指植物通过代谢过程来降解污染物或通过植物自身的物质如酶类来分解植物体内外来污染物的过程。目前，对有机污染物在植物体内的降解机理的了解远远少于在动物或微生物中的了解。Sandermann[8]认为植物含有一系列代谢异生素的专性同功酶及相应的基因。其代谢的主要途径与在动物中的相似，但往往更复杂，有一个显著的不同点是植物将代谢的产物以被束缚的状态保存。参与植物代谢异生素的酶主要包括：细胞色素P450、过氧化物酶、加氧酶、谷胱甘肽S-转移酶、羧酸酯酶、O-糖苷转移酶、N-糖苷转移酶、O-丙二酸单酰转移酶和N-丙二酸单酰转移酶等。而能直接降解有机污染物的酶类主要为：脱卤酶、硝基还原酶、过氧化物酶、漆酶和腈水解酶等[9]。
1.3 植物转化作用
植物转化是指利用植物的生理过程将污染物由一种形态转化为另一种形态的过程。如何防止植物增毒和如何强化植物解毒是利用植物转化修复大气污染物的关键。通常，植物不能将有机污染物彻底降解为CO2和H2O，而是经过一定的转化后隔离在植物细胞的液泡中或与不溶性细胞结构如木质素相结合[10]，也有人认为一旦有机污染物进入植物体首先进行的就是木质化的过程[9]。因此，植物转化是植物保护自身不受污染物影响的重要生理反应过程。植物转化需要有植物体内多种酶类的参与，其中包括乙酰化酶、巯基转移酶、甲基化酶、葡糖醛酸转移酶和磷酸化酶等[11]。
1.4 植物同化和超同化作用
植物同化是指植物对含有植物营养元素的污染物的吸收，并同化到自身物质组成中，促进植物体自身生长的现象。其中最为典型同时也最重要的是植物通过光合作用对大气中CO2的吸收和同化。植物还可以有效地吸收空气中的SOx和NOx，并可将其转化为硫酸盐和硝酸盐，再加以同化利用[12]。Omasa等[11]提出了具有超吸收和代谢大气污染物能力的“超同化植物”的概念。超同化植物可将含有植物所需营养元素的大气污染物如SOx和NOx等，作为营养物质源高效吸收与同化，同时促进自身的生长，这种现象也可称为超同化作用。
2 大气化学污染植物净化的研究现状
实际上植物对大气污染的净化作用很早就被注意到并得到应用，例如，在公路边种植植物以减轻汽车造成的污染和在一些化工厂或类似的人为污染源附近种植大量植物来减轻污染并美化环境等。然而系统地研究大气污染的植物净化还是一项新兴课题，其发展潜力巨大，应用前景明显。
2.1 大气污染植物净化模型的建立
由于无法对每种植物净化每种污染物的行为逐一研究，建立能够预测污染物植物净化的动态或静态数学模型具有重要意义。植物吸收污染物有两种主要途径：一是根部吸收并通过木质部向上转运分配；另一是叶片和表皮的气孔或角质层吸收并通过韧皮部向下转运分配。国际上对植物吸收污染物的模型研究较多，并建立了多种预测方程。
Riederer[13]基于污染物的挥发性用正辛醇/水分配系数、表皮/水分配系数、水溶性和饱和蒸气压等参数作为输入数据建立了有机污染物在植物-大气系统中的分配和转运模型。Peterson等[14]在全面考虑了有机物在植物-大气-土壤系统中地迁移转化行为的基础上，建立了有机污染物植物修复的根-茎-叶三厢质量平衡模型。随后，Trapp等[15]将有机污染物在植物-大气-土壤系统中复杂的动力学行为用单一方程表示，建立了一厢质量平衡模型。这些模型拟合了污染物在植物体内外的平衡状况，分析了影响平衡的诸多因素，有助于进一步了解和提高植物吸收污染物的能力。但是每一模型仅对那些与所研究污染物结构类似的物质较为准确，无法对所有植物和污染物进行系统而准确地预测。
2.2 大气无机物污染的植物净化
大气无机污染物主要有SO2、NOx、O3、HF、Cl2等。O3是近地表大气中主要的二次污染物，可通过产生活性氧对动、植物造成伤害。可以利用专性植物有效地吸收空气中的O3，并利用其体内的一系列的酶如超氧化物岐化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等和一些非酶抗氧化剂如维生素C、维生素E、谷胱甘肽等进行转化清除[16]。
SO2是城市的主要污染物之一，主要通过叶片进入植物体内，同时枝条的皮孔亦可少量吸收SO2，其吸收能力与植物组织细胞液的pH值有关。植物吸收的SO2部分参与植物的生命活动，部分通过根系排出体外[17]。鲁敏等[18,19]研究测定了部分绿化树种对主要大气污染物——SO2、Cl2、HF和重金属（Pd、Cd）的吸收净化能力，结果表明：绿化树种对大气污染物具有一定的吸收净化能力，并依污染物和树种的不同具有明显差异，其中对SO2吸收量高的有：加杨(Populus canadensis Moench)、花曲柳(Fraxinus rhynchophylla)等；对Cl2吸收量高的有：山杏(prunus armniaca)、糖槭(Acersaccharum)等；对HF吸收量高的有：枣树(Zizyphus jujuba)、榆树(Ulmus pumila)等；对Pd吸收量高的有：桑树(Morus alba)、黄金树(Catalpa speciosa)等；对Cd吸收量高的有：美青杨(Populus nigra var. italica ×P. cathayana)、旱树(Salix matsudana)等。
NOx是另一重要大气污染物，Morikawa等[12]研究了110种草本植物和107种木本植物同化NO2的情况，结果发现不同植物同化能力的差异达600倍，有9种植物同化NO2中氮的指数超过了10%，其中Solanaceae和Salicaceae两个科中的植物具有较高的同化NO2能力，NO2中的氮源在这些植物的新陈代谢过程中起着重要的作用。植物体内与NO2代谢有关的酶和基因的研究已比较清楚。所涉及的酶类主要为硝酸盐还原酶、亚硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶。这几种酶的蛋白质性质、酶的组成、酶促反应的机理、基因的表达调控在Omasa等[11]的文章中已有比较详细的阐述。这几种酶的基因都已经被成功地转入了受体植株中，并随着转入基因的表达和相应酶活性的提高，转基因植株同化NO2的能力都有了不同程度的提高[20]。
2.3 大气有机物污染的植物净化
大气中的有机污染物主要来源有石油化工工业废气、汽车尾气、垃圾焚烧烟气及装修材料有机溶剂或助剂等。随着人类活动强度的增加，大气有机物污染日趋严重。已有实验证明植物表面可以吸附亲脂性的有机污染物如PAHs，其吸附效率取决于污染物的辛醇-水分配系数[3]。Niu等[21,22]研究了阳光照射下吸附在云杉(Picea abiea (L.) Karst.)针叶上的多氯代二苯并-对-二噁英和多氯代二苯并呋喃（PCDD/Fs）和PAHs的光解，认为云杉针叶上的腊状成分可以作为质子供体而有助于加速PCDD/Fs和PAHs的降解。Trapp等[4]认为大气中约44%的PAHs被植物吸收，从大气中去除。他们还认为，植物在春季和秋季吸收能力较强，主要吸收较高分子量的PAHs，虽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气中的PAHs浓度，加速了从环境中清除PAHs的过程。Kas等[23]观察到几种植物在无菌培养条件下能有效地降解多种烷烃和多氯联苯（PCBs）。Barber等[24,25]研究了PCBs在大气与常绿灌木叶片之间的迁移机制与模型，发现植物有较好的净化PCBs的作用。Chroma等[26]发现植物体内的过氧化酶对PAHs和PCBs的降解有重要作用。Gordan等[27]的同位素标记实验表明，植物杂交杨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 室内空气污染的植物净化
近年来，室内空气污染引起了人们的广泛关注[28]。现代室内的装饰、装修，使得室内甲醛、苯系物、氨气、臭氧和氡气等污染物浓度水平远远高于室外[29]。于桂兰等[30]对广州市50多户新建住房进行了检测，发现总挥发性有机物、甲醛、苯等主要污染物均不同程度超标。绿色植物兼具美化环境和控制室内空气污染的双重功能，对于改善目前城市中人们的生活环境质量有着不可替代的作用，利用盆栽植物来净化室内空气是当前的研究热点之一。Corneji等[31]发现植物可以有效地吸收空气中的苯、TCE和甲苯，不同植物对不同污染物的吸收能力有较大的差异。有报道[32]表明常青藤(Hedera nepalensis var.sinensis)、龙舌兰(Agave americana)等可以有效除去办公室中从香烟、人造纤维和塑料中释放的苯，芦荟(Aloe)、香蕉(Musa spp)、垂挂兰(Agave americana)等对隔热泡沫和甲醛有净化作用。Oyabu等[33]研究了盆栽植物空气中甲醛的净化能力，发现橡胶树(Hevea brasiliensis)和蕨类植物的净化量与甲醛浓度成线性关系，有的植物净化量在一定浓度下可达到最大值，而有的植物的净化量基本上保持不变。郭秀珠等[34]研究了吊兰(Chlorophytum comosum)、虎尾兰(Sansevieria trifasciata)、君子兰(Clivia miniata)和橡皮树(Ficus elastica)对甲醛、二甲苯和总挥发性有机物的吸收，结果表明这4种室内观叶植物都能吸收室内有毒有害气体，但作用效果差异明显：虎尾兰最佳，7d内室内甲醛、二甲苯和总挥发性有机物总量的减少率比对照分别多64.6%、61.4%和64.8%；君子兰也有较强的净化效果，而橡皮树的效果最差。
3 研究展望
大气污染是一个复杂的并涉及到多方面的环境问题。植物能否有效地清除大气污染物和净化大气环境，受到诸多因素的影响和限制。这些因素除了来自植物和污染物本身外，还来自气候和土壤等方面。虽然这些限制因素对大气污染的植物净化提出了挑战，但是与此同时也给这种生物修复技术的研究与发展带来了机遇。植物净化污染大气的思想及其技术对城市园林绿化、环境规划和生态环境建设具有直接的指导意义和应用价值。例如在以煤烟型污染为主的城市和区域，应考虑多种植SO2净化能力强的绿化植物；而在办公室和新装修房屋里，则应当摆放一些对苯、甲醛等挥发性有毒有机物有较强吸收能力的植物。然而，无论是近地表大气污染植物净化的理论本身还是其应用性的研究都处于刚刚起步阶段，并在迅速发展，还有许多问题有待进一步研究探讨，迫切需要的是运用生物学、化学、土壤科学、环境科学、农学等多学科的知识交叉、综合地开展研究。
3.1 高效净化植物的筛选
针对不同种类和浓度的污染物，筛选对污染物耐受性强、去除率高、生物量大的植物，研究环境因素对其净化效果的影响。对土壤和水体污染方面的筛选已经进行了很多，而对大气污染方面的筛选工作还很不够。由于污染物的种类繁多，完全依赖反复试验的方法来筛选高效率的净化植物是困难的，通过对已知净化用植物修复机理的研究和鉴定相关植物酶的种类与含量来定向筛选对某类化合物有特异清除能力的植物将是一种可行的方法[9]。
3.2 污染物在植物体内的转化机理研究
系统地研究污染物在植物体内的代谢转化机理对筛选净化用植物和制订净化方案有决定性作用。大气中有害物质通过吸收与代谢转移到植物组织，这种转移是否为有毒有害物质的累积过程，有害化学物质如果未被生物降解而直接被植物吸收累积存在于植物体内，则对当地的野生动物和人类构成另一种潜在的威胁。深入研究污染物在植物体内迁移、转化和代谢的动力学，确定控速步骤，以便控制净化效果，研究开发分析植物组织中污染物及其代谢产物的新型、高效可靠的分析方法与设备也是很有意义的课题。
3.3 联合修复技术的开发
植物可以通过其地上部分的叶片气孔及叶片表面直接吸收和清除大气污染物，植物还可以通过其根系与根际微生物的协同作用来清除以沉降方式进入土壤和水体中的大气污染物[35]。此外有研究表明，植物叶片的吸附有助于加速某些有毒难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动态、开发植物-微生物等联合修复技术将对污染环境的修复具有重要意义，从而改善和提高整体环境质量，保障生态系统和人类的健康。
3.4 净化效果影响因素的研究
除植物和污染物本身的性质和结构外，植物净化效果最大的影响因素无疑是气候、土壤条件等与植物生长条件相关的因素[36]。如何在极端的气候和环境条件下利用植物对大气污染进行净化是一个棘手的问题。植物在不同年龄和季节表现出的净化能力不同也是植物净化应用中的一个重要限制因素[9]。针对不同的气候和土壤条件，构建不同生态型功能植物的组合以及优化农艺管理措施是一项能实现最佳植物净化效果的研究工作。
3.5 转基因技术的应用
虽然转基因植物存在一定的安全隐患，我们也不应该因为转基因植物可能带来危害而放弃转基因植物在修复污染环境中的运用，而应该考虑如何发展和“创造”安全有效的用于修复环境的转基因植物[37]。通过转基因植物来高效吸收与清除大气环境中有毒化学污染物的前景是十分诱人的[38]，通过基因工程手段培育“超同化植物”和室内观赏与空气净化两用植物也是一项重要且有广泛市场前景的研究工作。但是植物转基因技术的应用还需要做很多的基础性研究工作，如选择合适的外源基因和宿主、如何使转基因植物持续高效地表达外源基因等。随着转基因技术的发展，人们改造植物的能力将会越来越强，一大批更加适合污染环境修复的转基因植物将会陆续出现。
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