化学性大气污染的植物修复与绿化树种选择_综述_

2003,32(3):73-77.

Ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ　Ｐｌａｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　

化学性大气污染的植物修复与绿化树种选择(综述)

吕海强，刘福平

(福建省亚热带植物研究所，福建 厦门 361006)

摘 要：简要介绍化学性大气污染的植物修复过程与机理，阐述植物对空气污染物抗性研究的主要方法和抗性指标，以及修复大气污染绿化树种的选择依据。

关键词：大气污染；植物修复；抗污等级；绿化；植物选择

中图分类号：S667.9; Q945.6+.6 文献标识码：A 文章编号：1009-7791(2003)03-0073-05

A review of phytoremediation to chemical air pollution and

plant species selection for greening

LU Hai-qiang, LIU Fu-ping

(Fujian Institute of Subtropical Botany, Xiamen 361006, Fujian China)

Ａｂｓｔｒａｃｔ： The process and mechanism of phytoremediation to chemical air pollution are introduced in this paper. The main measures and the tolerance index for the research in pollutant-resistant ability of plants, and the scientific basis of plant species selection for greening are described.

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ： air pollution; phytoremediation; air pollution tolerance index; greening; plant selection

大气污染是人类面临的最严重问题之一，其来源有自然源和人为源两大类，前者如火山爆发、森林火灾等；人为源有汽车源和固定源，它具有持续时间长、危害范围广、可控制等特点，是世界的主要污染源。随着工业及交通运输业的迅速发展，以及煤、石油的大量使用，各种有害物质如烟尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物及臭氧、氟化氢、氯气，过氧乙酰硝酸（PAN）、乙烯、酸雾、颗粒物及沙尘暴等引起的大范围污染，是目前城市的主要污染物[1]。空气污染对绿色植物有一定的影响和危害，但另一方面，绿色植物对空气污染又有一定的抵抗和修复（吸收净化）能力。

近地表大气中污染物一般可分成3大类：物理性污染物、生物性污染物和化学性污染物。粉尘是主要的物理性大气污染物，绿色植物都有滞尘作用，叶总面积大、叶面粗糙多绒毛、能分泌粘性油脂或浆汁的物种可被选为滞尘树种。病原体能经空气传播，即生物性大气污染物。由于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，因此，植物可以减轻生物性大气污染。大气环境中的有毒化学物质是化学性大气污染物，植物可以吸收大气中的CO2或毒害性化学物质，修复化学性大气污染。本文简述化学性大气污染的植物修复过程与机理，并就城市绿化树种选择提出建议。

1 化学性大气污染的植物修复过程与机理

1.1 植物吸附与吸收修复

吸附是一种物理过程，主要发生在植物地上部分的植株表面，吸附与表面结构如叶片形态、粗糙程度、叶片着生角度等有关。Simonich等[2]认为，植被是从大气中清除亲脂性有机污染物如多氯联苯收稿日期：2003-05-15　

作者简介：吕海强（1974--），男，福建永春人，助理工程师，大专，从事图书资料管理工作。　

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﹒74﹒ 第32卷　（PCBs）和多环芳烃（PAHs）[3,4]最主要的途径。

植物可以通过气孔吸收大气中的多种化学物质，包括SO2、Cl2、HF、重金属（如Pb）等，对于可溶性污染物如SO2、Cl2和HF等，则是通过湿润的植物表面吸收；而植物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。有报道[4]认为，大气中约有44%的多环芳烃（PAHs）被植物吸收；Cornejo等[5]发现植物可以有效地吸收空气中的苯、三氯乙烯和甲苯。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，一旦重金属进入植物组织或细胞，植物金属硫蛋白(MT)、植物螯合肽(PC)、游离的组氨酸、膜上特异性转运蛋白等物质将为重金属在植物体内的存在形态、运输和分布起重要的作用[6]。

1.2 植物降解修复

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生的物质如酶类来分解外来污染物的过程，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[7]。Lee等[8]认为，主要是细胞色素P450而不是过氧化物酶导致植物体内PCBs的氧化降解。Doty等[9]将人的细胞色素P450 2E1基因转入烟草后，提高了转基因植株氧化代谢三氯乙烯（TCE）和二溴乙烯（EDB）的能力约640倍。Gordon等[10]通过同位素标记实验表明，植物中的酶可以直接降解TCE，先生成三氯乙醇，再生成氯代乙酸，最后生成CO2和Cl2；植物体内的脂肪族脱卤酶也可以直接降解TCE[11]。对于一些在植物体内较难降解的污染物如PCBs，将动物或微生物体内能降解这些污染物的基因转入植物体内可能是一种好办法。这种基因工程的手段不仅能提高植物降解有机污染物的能力，还可以使植物修复具有一定的选择性和专一性。这也是基因工程技术的一个重要应用领域[12]。

1.3 植物转化修复

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。如利用基因工程技术使植物将空气中的NO2大量地转化为N2或生物体内的氮素。利用专性植物有效地吸收空气中的臭氧（包括其它的光氧化物），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[13]。

1.4 植物同化和超同化修复

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。除了以上所提到的CO2外，植物可以有效地吸收空气中的SO2，并迅速将其转化为亚硫酸盐至硫酸盐，再加以同化利用。从天然植物中筛选或通过基因工程手段培育“超同化植物”及其理论与技术的发展，是今后一个重要而有应用前景的研究工作。

植物体内与NO2代谢有关的酶和基因的表达调控研究已比较清楚[14]，所涉及的酶类主要为硝酸盐还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NiR）和谷氨酰胺合成酶（GS），这几种酶的基因都已成功转入受体植株中，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的能力有了不同程度的提高

[15-17]。这些研究成果不仅为培育高效修复大气污染的植物提供了快捷的途径，同时也为修复植物的生理基础研究提供了新的实验工具。

2 植物对空气污染物的抗性等级

在大气污染物作用下，每种植物反应不同，或敏感或忍耐。植物对有害气体表现抗性，是我们在污染区应用植物净化空气的先决条件，为现有植物划分抗空气污染等级，是修复大气污染的环保功能植物选择的基础。随着大气污染物对植物生理生化、分子水平影响研究的不断进展，相应的研究方法和抗性指标层出不穷，现将目前主要采用的方法特征简介如下。

2.1 植物抗性研究方法的主要特征 室内熏气实验可以明确地判断不同浓度的单一污染物对植物的伤害作用，以此筛选单一污染物下

第3期 吕海强,等：化学性大气污染的植物修复与绿化树种选择（综述） ﹒75﹒的抗性植物。当植物面临着多种混合污染物作用时，这种研究方法则无能为力。

污染地区树木调查法，通过观察植物的生长状况和叶片的宏观受害症状，主要靠经验来粗略判断植物对污染物的抗性等级，不同的使用者得出的结论可能偏差很大，可比性较差。其实在出现可见受害症状前，植物叶片的光合和呼吸作用等微观特征已经发生某些变化。污染物对花粉粒的形态和叶基分生组织细胞也产生影响[18]。因此，需结合其他方面的反应特征，才能科学地推断植物的抗性程度。

污染物对植物生理生化和物理特性的影响，如O3和SO2使细胞膜脂过氧化，导致细胞膜透性增加；臭氧使烟草出现伤害症状时，会促进呼吸作用而阻碍光合作用[19]。超氧化物岐化酶是一种保护酶，已有研究探讨它与SO2污染的关系[20]；还有人认为，SOD的活性氧代谢能反映植物的综合抗逆性，可划分植物的抗性等级[21]。但这种综合抗逆性不能区分植物对污染物的抗性和对寒、旱的抗性[1]。

植物表皮是阻隔大气污染物和植物个体之间的屏障，外被的蜡质覆盖层，是外界影响植物表面的第一步。国际上对针叶类植物叶片蜡质层在污染物环境下的结构变化有大量研究[22,23]。实验表明，污染区植物叶片吸收的硫有13%～24%积累于叶片表面的蜡层中，蜡质层结构的伤害症状被用来判断污染物对植物的伤害程度[24]，气孔腔室内的蜡质层结构可能是针叶类气体交换的又一道障碍，欧洲七叶树（Aesculus hippocastanum）在污染区的蜡层表面就失去了对照区叶片蜡质层相应的小折叠，并且叶片气孔形态也不正常[25]。

2.2 植物对空气污染的忍耐抗性指标

目前为不同植物对各种污染物抗性程度罗列各式各样的抗性等级或强弱次序，常常基于现场调查法和熏气试验方面的研究，经常可发现同一种植物抗性等级相差很大的现象，如不同方法得出银杏对氯气抗性很强和敏感两种相反的结论[1]，说明这些方法片面而且没有统一指标，判定植物抗性等级的结论还不十分肯定。空气污染作用下植物的生理生化、物理方面反应特性有不同程度的变化，发展一种综合各种特性变化的量化指标来科学确定植物抗污染能力是目前植物抗性方面研究的前沿课题。Singh等[26]用计算机得到植物在污染物作用下反应特性的综合参数，以此推断植物忍耐程度的经验指数法，他们从植物敏感性的传统指标，叶片可见伤害，叶片电导、细胞膜透性、抗坏血酸、相对水含量、叶绿素含量、叶提取液pH及过氧化物酶活性中选择四个因素抗坏血酸（A）、叶绿素的总含量（T）、叶提取液pH值（P）、叶组织中相对水含量的百分数（R），纳入大气污染忍耐指数公式APTI =

[A(T+P)+R]/10，他们用该指数法所得结论与实验室和野外观察到的植物反应一致。

3 修复大气污染的绿化植物选择

修复大气污染植物必须从对有害气体表现抗性的植物中筛选，目前已知卫矛科、桑科、木兰科、芸香科的柑桔属、木樨科的女贞属、棕榈科、山茶科、壳斗科、四照花科、黄杨科等植物对有害气体抗性较强，而松科、柏科、杉科、藜科、石竹科、十字花科、百合科、胡桃科中大部分植物抗性较弱[27]。但并非所有抗性植物都是修复功能植物候选者，植物对有害气体具有抗性的原因有三：1. 叶子结构不利于有害气体的进入而表现抗性，如常绿阔叶树叶子多半比较厚、革质、外表皮角质化或表面具有蜡质、有害气体不易进入而抗性较强；某些植物叶上多茸毛，对有害气体有一定阻挡作用；有的植物在不利条件下气孔关闭，停止气孔交换而表现抗性。此类植物与有害气体不发生直接关系，不适合作为修复功能植物。2. 植物能吸收多量的有害气体而不受危害，它们在生理上具有积累、转移、消除污染物质的能力，即如上所述有修复污染能力，本身为净化空气的环保功能植物。3. 植物具有较强的再生能力，在受有害气体危害后易于恢复，如女贞、杨树等，此类植物是否适合作修复功能的候选植物，将依是否有效修复大气污染而定。表1列出一些适合于南方污染地区栽种的树木及其对有害气体的吸收情况。

不同植物对大气污染物有不同的吸收能力，其大小要通过测量和计算植物在污染区和生态条件相似的非污染区（对照区）内对某类污染物吸收的含量差获得，但是植物吸入有害气体后还会转化、降解，对有害气体进行同位素标记追踪可能较为精确、全面和科学。此外，植物具有同时吸收多种有害

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﹒76﹒ 第32卷　

表1 一些常见树木对有害气体（蒸气）的吸收情况[27]

植 物 名 称

棕榈(Trachycarpus fortunei) 蓝桉(Eucalyptus globules) 银桦(Grevillea robusta)

樟叶槭(Acer cinnamomifolium) 黄槿(Hibiscus tiliaceus)

木麻黄(Casuarina equisetifolia) 盆架子(Alstonia scholaris) 菩提榕(Ficus religiosa)

樟树(Cinnamomum camphora) 侧柏(Biota orientalis)

桧柏(Juniperus chinensis) 乌桕(Sapium sebiferum) 女贞(Ligustrum lucidum)

厚皮香(Ternstroemia gymnanthera) 大叶黄杨(Euonymus japonicus) 海桐(Pittosporum tobira) 山茶(Camellia japonica) 柑桔(Citrus reticulata) 构树(Broussonetia papyrifera) 板栗(Castanea mollissima) 银杏(Ginkgo biloba) 梧桐(Firmiana simplex) 刺槐(Robinia pseudoacacia) 臭椿(Ailanthus altissma) 垂柳(Salix babylonica) 悬铃木(Platanus acerifolia) 桑树(Morus alba)

紫薇(Lagerstroemia indica) 夹竹桃(Nerium indica)

性 状 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 常绿乔木 乔 木 常绿小乔木 小乔木或灌木 常绿灌木或小乔木 常绿灌木或小乔木 常绿灌木或小乔木 常绿灌木或小乔木

落叶乔木 落叶乔木 落叶乔木 落叶乔木 落叶乔木 落叶乔木 落叶乔木 落叶乔木 落叶乔木或呈灌木状落叶乔木或呈灌木状

常绿灌木

有 害 气 体 (蒸 气)

SO2 Cl2 HF Hg Pb 粉尘 V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V

V V V V V V V V V V V V V V V

V V V V V V V V V V V V V V V V V

V V V V

V V V V

V V V V V V V V V V V

应 用 工厂绿化 污染不太严重地区

工厂区绿化

污染较轻地区 很好的抗污净化树种

工矿区防污树种

污染严重地区栽培 污染严重地区

先锋绿化树种 工厂绿化 轻污染地区 中度污染地区 污染严重地区 污染严重地区 净化空气树种 污染较轻地区 烟尘污染或有害气体污染较轻地区 中度污染地区绿化

工厂抗污树种

物质的能力，一种污染物吸收量与另一种污染物的吸收量在不同情况下具有不同的消长关系[28]。将植物的抗污能力和吸污能力相结合，成为抗污染植物筛选的依据。

人们利用自然植物资源不仅修复已受损的土、水栖身地，同时可以修复栖身地的大气环境，从而改善和提高整体环境质量。这种利用自然生物资源来修复自然环境污染的思路与策略必将促进环境优化、经济高效、持续健康的生物修复的理论创新和技术发展。在利用植物的修复功能来选择绿化树种时，应通过植物对空气污染物从宏观到微观的综合反应特征来判定植物的抗污能力，通过植物体内对污染物的积累、转化降解等能力来研究植物的吸污能力，绿化时选择那些抗性和吸污性都比较强的种类使大气污染得到最大程度的修复。

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