氧化胁迫对植物净化空气中甲醛和苯的影响及其作用机制研究

Reactive oxygen species (oxidative stress) produced by an adversary stress in plant cell may enhance the removal of reductive organic contaminants from air by plants. However, little research has focused on this important process. With different reductive potentials, formaldehyde and benzene will be selected as the model contaminants and some crops (e.g., tomato and corn), vegetables (e.g., spinach and celery), potted flowers (e.g., Bracketplant and Scindapsus aureus), and wild grasses (e.g., dandelion and clover) as the reference plant materials for investigation. Sealed glass boxes with sampling apertures will be assembled to host the plants. The planned research is aimed (i) to describe the changes of formaldehyde and benzene concentrations in air, plant tissues, dew drops, and the culture solution in a closed system; (ii) to elucidate the transport process of formaldehyde and benzene in air, plant tissues and the culture solution; (iii) to assess the plant self-cleaning efficiency; (iv) to investigate the change in plant cleaning efficiency under an oxidative stress produced by an adversary environment, such as drought, salinity and alkalinity, high or low temperature, coexisting heavy metal ions (e.g., Pb(II) or Cd(II)) in solution or gaseous pollutants (e.g., SO2, NOX and NH3) in air; and (v) to depict the shared mechanisms of plants in cleaning formaldehyde and benzene from air. These objectives will be accomplished by collecting and analyzing the root elutes, leached solutions of the rhizosphere soil, and plant tissue extracts of formaldehyde and benzene. The combined data on foliar uptake, phleom transport, root release of formaldehyde and benzene from air to water, and plant tissue transformation and rhizosphere degradation efficiency, together with the influence of the oxidative stress on plant cleaning efficiency of formaldehyde and benzene, will be used to develop a technological basis for cleaning volatile organic compounds in air by plants.

逆境导致的植物体内活性氧累积，可增强植物对空气中还原性有机污染物的净化能力。申请者的前期实验已初步验证了这一科学假设，但远不够系统深入。因此，本项目拟以甲醛和苯为目标污染物，以作物（小麦等）、蔬菜（菠菜等）、花卉（绿萝等）及野草（蒲公英等）为研究对象，采用玻璃密封箱模拟研究的方式，通过测定空气、植物、露珠和根际液中甲醛或苯含量的动态变化，揭示污染物在系统中的传输过程和规律，确定植物净化效率；通过控制温度、调节pH值和盐含量、增加共存重金属离子或气态污染物等方式，研究氧化胁迫对植物净化目标污染物的影响；通过收集根际分泌物、根际土壤浸出液和植物提取液，测定其对甲醛和苯的转化能力，定量分析不同作用机制在植物净化中的分担率，进一步验证植物体内活性氧净化机制。研究结果可为深入理解甲醛和苯在空气-植物-土壤系统中的传输和转化过程与机制、开发室内空气质量改善技术及制定相关植物净化技术标准提供科学依据。

植物净化是被社会各界广泛关注和接受的室内空气质量改善技术。甲醛和苯是室内空气中普遍存在的致癌污染物，但其植物净化机理尚不清晰。项目以二十余种常见花卉（吊兰、竹叶梅等）、作物（小麦、向日葵等）及野生植物（车前草、蒲公英等）为研究对象，采用玻璃密封箱模拟研究的方式，通过测定不同条件下空气、植物和根际液中甲醛和苯含量的动态变化，探讨了其在水-植物-空气中的分布特征、传输过程和规律；通过物料衡算计算植物净化效率，结合植物提取液对外加甲醛的降解能力和植物体内抗氧化酶（POD、CAT和SOD）活性变化，探讨了植物对空气中目标污染物的净化机理；定量分析了光照、共存污染物等对植物净化效率的影响；通过在根际液中添加甲醛降解菌的方式，探讨了空气中目标污染物的植物-微生物联合净化效率与作用机制。本项目的研究结果验证了甲醛和苯的植物体内活性氧净化机制。在所试验植物中，小麦和绿萝对空气中甲醛的净化能力最强，净化效率最高分别可达764.32±34.22 mg·h-1·kg-1FW和228.14±42.26 mg·h-1·kg-1FW，体内净化为主导植物净化机制，贡献率可达总净化量的99%以上；逆境胁迫导致的活性氧爆发增强了植物对甲醛的体内净化能力，呈现出植物对空气中甲醛净化能力的自我增强效应；光照、温度和共存污染物均可显著影响空气中甲醛和苯的植物净化效率。所试验植物对空气中苯的净化效率为6.31±0.76~181.19±29.92 mg·h-1·kg-1FW，氧化胁迫导致的植物体内净化能力增强可显著改变空气中苯的主导净化机制。空气中苯浓度较低时，叶面吸收进而通过韧皮部下行传输后的根释放作用是草莓吊兰净化空气中苯的主要作用机制，而植物体内固定是实验浓度范围内全绿吊兰、绿萝和虎皮兰等三种植物净化空气中苯的主要作用机制。向根际液中加入微生物可显著增加空气中甲醛的植物净化效率，最高值可达单一植物体系净化效率的9倍以上，表现出很强的植物、微生物协同净化效应。随着叶面吸收时间或空气中甲醛浓度的增加，逆境胁迫下导致的活性氧净化机制渐渐成为植物-微生物协同净化的主要作用机制。本项目的研究成果可为针对性地开发室内空气质量改善技术提供科学依据和方法学基础。