魯敏，劉順騰，趙潔

(山東建筑大學藝術學院，山東 濟南 250101)

0 引言

現(xiàn)代人類已經(jīng)繼第一污染時期—煤煙型污染和第二污染時期—光化學煙霧污染后，進入以室內(nèi)化學污染為標志的第三污染時期[1－2]。

美國在室內(nèi)環(huán)境大會上的報告指出，68%的疾病是由室內(nèi)化學污染造成，在我們?nèi)粘＞幼』蚬ぷ鞯目臻g中，存在不少于900種的化學污染物，部分污染物的濃度甚至超出了室外濃度的百余倍之多[3];在日本，因室內(nèi)裝修有機材料不合格，導致30%的住戶產(chǎn)生了“新居綜合癥”[4];英國、西班牙、澳大利亞等國家，因工業(yè)發(fā)展而造成的室內(nèi)化學污染污染也不勝枚舉，并且每年都會有大量的人員傷亡[5]。我國室內(nèi)裝飾協(xié)會環(huán)境監(jiān)測中心數(shù)據(jù)顯示，每年因室內(nèi)化學污染引起的死亡人數(shù)已達11.1萬人[6]。由此可見，室內(nèi)化學污染及其對居住環(huán)境的影響，已成為目前城市環(huán)境面臨的主要問題。

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代人每天都有80% ～90%的時間在室內(nèi)生活、學習和工作，其中在居室中度過的時間更是超過了60%，室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康具有直接影響[7]。近年來，隨著室內(nèi)裝修裝飾的大量涌現(xiàn)，裝飾材料不合格，管理監(jiān)督體制不完善等問題也隨之而來，導致室內(nèi)化學污染物不斷超標，室內(nèi)空氣質(zhì)量日趨下降，對人們的身體健康和生命安全造成了嚴重威脅[8]。

世界衛(wèi)生組織已將室內(nèi)化學污染列為對公眾健康危害最大的五種環(huán)境因素之一，所造成的危害也成為全世界最普遍關注的問題，如何安全有效的監(jiān)測、控制室內(nèi)化學污染，已經(jīng)成為亟待解決的課題[9]。目前，國內(nèi)外針對室內(nèi)化學污染的監(jiān)測技術開展了許多相關研究，其中植物監(jiān)測作為一種經(jīng)濟、方便和準確的方法，已逐漸成為室內(nèi)化學污染監(jiān)測的重要技術手段，是當代生態(tài)學研究的熱點與前沿學科之一[10]。

1 室內(nèi)化學污染與植物監(jiān)測

1.1 室內(nèi)化學污染

室內(nèi)化學污染是指某些對人體有害的化學物質(zhì)進入室內(nèi)環(huán)境后所造成的污染[11];文中特指因甲醛和苯而造成的室內(nèi)環(huán)境污染。

室內(nèi)化學污染具有揮發(fā)周期長，影響范圍廣、污染物種類多等特點，能夠隨著時間推移，在居室內(nèi)不斷積累，對人體健康造成了極大危害[12]。其中甲醛和苯是室內(nèi)三大“隱形殺手”的主要組成部分，已成為室內(nèi)環(huán)境中危害最大的兩種化學污染物[13]。甲醛被世界衛(wèi)生組織確定為致癌和致畸物，能引發(fā)鼻竇癌和鼻腔癌;而苯極易誘發(fā)白血病，是潛在的強致突變物，公認的變態(tài)反應原[14]。

1.2 植物監(jiān)測

植物監(jiān)測是研究植物在污染環(huán)境中的生長狀況及生理指標變化，即研究植物與污染環(huán)境之間的變化關系。植物在外界污染脅迫下，其葉片會出現(xiàn)不同程度的受害癥狀，同時伴隨著光合作用減弱，呼吸作用加強等生理活動[15]。因此，依據(jù)植物的外部形態(tài)傷害和生理特性變化，可以有效的監(jiān)測室內(nèi)化學污染狀況。

室內(nèi)化學污染涉及到多方面的環(huán)境問題，存在治理周期長，花費成本高等困難，而植物監(jiān)測具有操作簡單、經(jīng)濟實用的特點，是簡潔、高效的室內(nèi)化學污染監(jiān)測技術。與此同時，監(jiān)測植物對美化室內(nèi)空間、凈化室內(nèi)空氣、增加生活情趣也有極大幫助。

2 植物對室內(nèi)化學污染氣體的監(jiān)測指標

目前，國內(nèi)外學者對室內(nèi)植物的監(jiān)測能力研究逐漸由宏觀向微觀轉(zhuǎn)變，即從植物的外部數(shù)量性狀觀測轉(zhuǎn)變到植物的生理生化指標測定，并逐步向分子基因水平多序列研究發(fā)展。

2.1 外部數(shù)量性狀

2.1.1 形態(tài)指標

污染物能夠通過根系呼吸進入植物體內(nèi)，此外還可以由植物葉片的表皮細胞、角質(zhì)層、氣孔等進入。通常植物葉片與污染物的接觸面積較大，所受到污染物的沖擊也更明顯。因此，植物葉片表皮細胞的排列狀況、角質(zhì)層、細胞壁的厚度大小，都能對植物污染監(jiān)測能力產(chǎn)生直接影響。Tsh(1976)進行苜蓿、豌豆、黃瓜和蠶豆實驗時，對它們的表皮細胞排列、細胞壁、角質(zhì)層厚度，葉肉組織等指標進行測量，建立了旱生形態(tài)指數(shù)，在研究其與植物抗性能力之間的關系后指出，該指數(shù)可以用來作為植物監(jiān)測室內(nèi)化學污染危害的抗性指標[16]。

2.1.2 生長指標

植物對污染環(huán)境的監(jiān)測效果能夠通過其生長狀況直觀表達出來。因此，根據(jù)植物的生長指標，能夠快速、簡便的篩選對室內(nèi)化學污染較為敏感的植物。然而，植物在正常生長條件下，其發(fā)育狀況受多方面因素的影響，僅憑借單一的生長指標，并不能準確判斷植物對污染物的敏感性。劉世忠經(jīng)過長期研究后創(chuàng)建了綜合生長比值法，即通過植株的樹干直徑、株高、冠幅等長勢，推斷污染物對植物的危害程度，以此判斷植物的敏感監(jiān)測能力[17]。

2.2 生理生化指標

2.2.1 細胞膜透性

細胞膜具有選擇通透性，在不斷變化的環(huán)境中，必須保持自身的穩(wěn)定狀態(tài)才能生存。當污染物濃度達到植物傷害閾值之前，細胞膜滲透率會呈現(xiàn)一定程度的波動，而如果污染物濃度超過了植物傷害閩值，滲透率則會顯著增大，導致Na+、K+等電解質(zhì)滲漏量大增，造成嚴重的生理傷害。利用植物的這種特性，研究植物葉片電解質(zhì)滲透率或?qū)щ娐首兓梢愿鼮橹庇^的反映植物在污染脅迫下的細胞膜透性變化[18]。因此，細胞膜透性變化是衡量植物胞穩(wěn)定與否的重要生理指標。

2.2.2 脫落酸含量

在室內(nèi)污染脅迫下，植物能夠分泌脫落酸(ABA)調(diào)節(jié)葉片氣孔大小，以此減少細胞對污染物質(zhì)的吸收，從而保護植物生理穩(wěn)定。研究表明，在逆境脅迫下脫落酸能夠提高植物體內(nèi)脯氨酸含量，提升細胞膜穩(wěn)定性，還能參與逆境脅迫的相關基因轉(zhuǎn)達[19]。因此，脫落酸含量變化是衡量植物細胞膜穩(wěn)定與否的重要生理指標。

2.2.3 脯氨酸含量

植物在污染的室內(nèi)環(huán)境中生存，其體內(nèi)的脯氨酸含量也會因為污染脅迫而發(fā)生變化。Silberstein通過對地衣類植物的長期研究發(fā)現(xiàn)，在逆境中抗性強的植物體內(nèi)分泌積累的脯氨酸含量比敏感性植物要更多。植物在逆境中積累增加脯氨酸，能夠維護細胞功能完善，使細胞結(jié)構(gòu)免受傷害，從而提高植物抗性，是一種正常的生理反應[20]。因此，脯氨酸能夠調(diào)節(jié)細胞質(zhì)濃度，維護細胞膜透性穩(wěn)定，是反應植物在逆境條件下的抗性指標。

2.2.4 過氧化物酶(POD)活性

過氧化物酶(POD)在植物體內(nèi)廣泛分布，其活性通常與植物的光合作用、呼吸作用的強弱有關，而在植物生長過程中，隨著組織老化或幼芽產(chǎn)生，也能發(fā)生一定變化[21]。一般老化組織中活性較高，幼嫩組織中活性較弱，這是因為過氧化物酶能促使組織中所含的某些碳水化合物轉(zhuǎn)化形成木質(zhì)素，增加木質(zhì)化程度。所以在室內(nèi)化學污染脅迫下，POD活性通常用作判斷組織老化程度的生理指標。

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條件下遭受傷害，其組織或器官膜脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應而產(chǎn)生的，其含量與植物衰老及逆境傷害有密切關系[22]。在逆境脅迫下，受自由基作用影響，植物脂質(zhì)層能夠發(fā)生氧化反應，導致體內(nèi)MDA含量上升，引起蛋白質(zhì)、核酸等生命大分子的交聯(lián)聚合，且具有細胞毒性，從而威脅植物細胞穩(wěn)定。氧自由基不但通過生物膜中的多不飽和脂肪酸的過氧化引起細胞損傷，而且還能通過質(zhì)氫過氧化物的分解產(chǎn)物引起細胞損傷，因此，植物體內(nèi)MDA的含量，是用來衡量脂質(zhì)層穩(wěn)定狀況，細胞穩(wěn)定程度的重要生理指標。

2.2.6 過氧化氫酶(CAT)活性

植物在逆境脅迫下容易產(chǎn)生一種代謝廢物——過氧化氫，能夠?qū)χ参餀C體造成損害。為避免這種損害，過氧化氫必須被快速地轉(zhuǎn)化為其他無害或毒性較小的物質(zhì)。過氧化氫酶(CAT)在植物的所有組織中均有分布，通常位于一種被稱為過氧化物酶體的細胞器中，是細胞中用來催化過氧化氫分解的主要工具。過氧化氫酶活性與植物的代謝強度及抗寒、抗病能力都有一定關系，故常作為植物在逆境中的生理變化指標[23]。

2.3 綜合指標

植物對室內(nèi)化學污染的抵抗能力，受多方面因素影響，不同植物因其控制基因性狀不同，敏感性也會產(chǎn)生較大區(qū)別[24]。植物的生理特性研究，雖然能在短時間內(nèi)顯示某一植物對污染物的敏感監(jiān)測能力，但不同生理指標在相同污染濃度下，其變化程度也存在較大差異，因而單一生理指標研究并不能代表所有植物對污染物的敏感性;而植物的外部數(shù)量性狀，雖然能較為直觀的反應植物在污染條件下的生長狀況，但一次形態(tài)觀測實驗往往需要較長時間，而所采用的植物種類也具有局限性，并不能完全反映不同植物的性狀變化。

利用綜合指標研究植物對逆境的敏感監(jiān)測能力，能夠有效解決這些困難，從而更直接、更準確的判斷植物敏感性。目前，關于植物監(jiān)測室內(nèi)化學污染的綜合指標研究還較少，可以植物監(jiān)測大氣污染的綜合評價指標為參考依據(jù)，即建立室內(nèi)化學污染植物監(jiān)測綜合評價體系。綜合比較各類方法，可選擇以下兩種作為參考:一方面是構(gòu)建植物生理指標評價方法，將實驗數(shù)據(jù)分級評價，隨后將各評價級別分別相加，根據(jù)總級別值評價植物敏感性;另一方面是建立隸屬函數(shù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)生理變化指標，將實驗隸屬值累計相加，最后取平均值，比較平均隸屬值大小，以此評定植物敏感性。

3 植物對室內(nèi)化學污染氣體的監(jiān)測研究進展

3.1 國外植物監(jiān)測研究進展

國外關于植物監(jiān)測的研究，最早起始于19世紀，在這一時期研究者開始關注植物葉片在污染環(huán)境中的受害反應，并將其應用于監(jiān)測大氣SO2污染的實驗，隨后又擴廣于 Pb、Cr的等土壤污染監(jiān)測中[25]。進入20世紀后，植物監(jiān)測得以繼續(xù)發(fā)展，Kolkwitz和Marsson根據(jù)水生植物在污染水體中的受害癥狀，判斷水體污染狀況，以此研究污水植物生態(tài)修復系統(tǒng)[26]。20世紀中期，英國科學家將苔蘚放入特殊采樣袋后，選擇合理的觀測點，通過苔蘚生理生化指標來監(jiān)測城市大氣污染，最終取得較好效果[27]。

隨后西歐、美國等地區(qū)的研究者，在前人研究基礎上，陸續(xù)將地衣類、蕨類植物應用到環(huán)境污染監(jiān)測中，加拿大學者還以此為依據(jù)，繪制了城市SO2污染分布圖，為后期的污染處理帶來方便[28];美國學者則通過蛋白質(zhì)、核酸等分子生物學，誘導雄性鴨拓草基因變異，并應用到城市酸雨污染監(jiān)測中，以此判斷酸雨危害程度[29]。由此可見，植物監(jiān)測環(huán)境污染在現(xiàn)代城市中的應用越來越廣泛，并起著至關重要作用。

3.2 國內(nèi)植物監(jiān)測研究進展

國內(nèi)關于植物監(jiān)測能力的研究起步較晚，大多都集中于植物監(jiān)測大氣污染方面，而關于植物對室內(nèi)化學污染的監(jiān)測研究在近幾年才有所突破。2006年，桂懌霖在相同苯濃度條件下對灑金桃葉珊瑚(Aucuba japonica var.variegata)的敏感性進行了相關實驗研究，并表明灑金桃葉珊瑚能夠有效監(jiān)測室內(nèi)苯污染[30];2007年，王利英通過研究表明:植物在甲醛超標的居室環(huán)境中，葉片、細胞等都會受到不同程度的損害[31];2010年，郝輝芳通過對吸毒草(Melissa officinalis)、吊蘭(Chlorophytum comosum)、蟹爪蘭(Zygocactus truncatus)在不同濃度甲醛污染下的細胞響應研究，指出監(jiān)測能力最強的植物為吸毒草[32];2011年，令狐昱慰、劉棟等通過實驗證明:在相同甲醛條件下，蚊凈香草(Pelargonium saivia)、吊竹梅(Zebrina pendula)、雞冠花(Celosia cristata)、藍花鼠尾草(Salvia farinacea)、新幾內(nèi)亞鳳仙(Impatiens linearifolia)、彩葉草(Coleus scutellarioides)、吸毒草等植物的抗性較弱，敏感監(jiān)測能力較強[33－34]。

綜合比較國內(nèi)外學者對不同室內(nèi)植物監(jiān)測能力的研究，均表明:不同種類的耐蔭觀葉植物在相同污染條件下表現(xiàn)出來的敏感性也存在較大差異。通過分析敏感性與植物葉片類型之間的聯(lián)系得知，革質(zhì)化程度較高、葉面覆蠟質(zhì)層的植物抗性相對較高，敏感性較低;而葉表面粗糙或帶絨毛的植物抗性則要相對較低，敏感性較強。由此推斷，植物對室內(nèi)化學污染監(jiān)測能力的大小與植物葉片類型之間也存在一定的相關關系。

4 展望

室內(nèi)化學污染的自身典型特征，使得植物監(jiān)測技術研究成為一個長期課題，也必將成為城市生態(tài)居室構(gòu)建的熱點學科[35－37]。盡管植物監(jiān)測技術在室內(nèi)化學污染的監(jiān)測中承擔著至關重要作用，但目前所進行的研究尚存不足，仍需更深入的研究，如:(1)大多數(shù)研究中污染物的質(zhì)量濃度未能降低到國際標準以下，這與室內(nèi)植物的敏感監(jiān)測能力、植物體自身的代謝能力以及生理生化特性等是否存在一定的相關聯(lián)系;(2)植物在持續(xù)室內(nèi)化學污染脅迫下的植物能夠保持多長監(jiān)測時間，受脅迫后的植物能否恢復到之前的良好狀況;(3)進一步研究敏感監(jiān)測植物的作用機理，從遺傳學方面研究敏感植物相關基因的表達調(diào)控，為其敏感監(jiān)測能力遺傳改良奠定基礎;(4)建立完善的植物敏感監(jiān)測能力綜合評價標準。

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