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观赏植物对室内环境中甲醛的植物修复:促进居

2019-09-02

背景:
甲醛是一种常见的危险室内空气污染物,由于其众所周知的对人体的致癌作用,最近引起了公众的关注。本研究的目的是研究盆栽植物 - 土壤系统从通风不良的室内空气中去除甲醛的能力,以促进居民的健康。

方法:
为此,我们使用了一种来自蕨类植物(Nephrolepis obliterata)的常见内部植物,在受控环境下的树脂玻璃室内。通过在48小时内向腔室中连续引入不同的甲醛蒸气浓度(0.6-11mg / m 3)来确定整个植物去除效率和盆栽土壤/根系贡献。在研究期间每天早晚从室的入口和出口进行取样,并报告每个阶段的平均值。

结果:
结果表明,在长时间暴露下,N。obliterata植物有效地从污染空气中去除甲醛90%-100%,这取决于入口浓度。土壤和根部对甲醛消除的贡献为26%。对植物生长特性的评价表明,熏蒸不影响叶绿素含量,类胡萝卜素和植物的平均高度; 然而,观察到植物水含量的降低。

结论:
根据这项研究的结果,观赏盆栽植物对植物修复挥发性有机化合物污染的室内空气是一种经济适用于建筑物的有效方法。这里测试的蕨类物种具有改善甲醛释放是健康问题的内部环境的巨大潜力。

关键词:甲醛,室内空气污染,植物修复,盆栽植物
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介绍
如今,室内空气污染已成为一个主要问题,因为它已知对人类健康产生有害影响。[ 1 ]随着能源危机的爆发,建筑设计因节能策略而变化,房屋和工作场所空间有限提供一种减少空气交换率(AER),并增加室内空气污染。[ 2,3,4,5,6 ]环保局美国的(EPA)已提到,室内空气污染物可以以找到[ 7 ]然而,室外空气污染物的监测和调节在室外空气污染物背后被忽视了。

其中一种主要的室内空气污染物是甲醛,其化学式为HCHO。它是与室内空气污染相关联,其引起了全世界公众的注意,因为它不利健康影响的最知名的挥发性有机化合物(VOC)中的一个。[ 3,8 ]甲醛是具有强烈气味,其可溶于一个无色气体在室内温度下,它可以在室内温度下窒息。[ 7 ]甲醛的主要室内来源是家具和材料,广泛用于房屋内部的建筑,如纤维板和层压木,地毯,窗帘,橡胶,油基涂料,粘合剂材料,化妆品,电子设备,以及纸制品。[ 2,9,10]此外,人们接触到来自燃烧源的甲醛,如烟草烟雾,汽油,汽油和固体燃料。[ 11 ]通常,在新建或翻新的住宅中,与旧建筑物相比,甲醛含量通常很高。[ 12],13 ]甲醛水平通常与产品随年龄增长而减少,[ 2,11,14 ]然而,根据沃尔弗顿,10年太多时间来呼吸此致癌化学入肺部。[ 15 ]

世界卫生组织报告说,急性暴露于室内甲醛浓度的健康影响包括眼睛刺激,眼睛发红,频繁眨眼和上呼吸道系统的刺激。[ 16 ]此外,据报道甲醛可引起长期影响,如癌症,儿童白血病,早产,低出生体重,先天性异常,遗传毒性和阿尔茨海默病。EPA认为甲醛作为可能的人类致癌物(组B1)。[ 2,7,17有人提出,职业接触甲醛可能会增加鼻咽癌的风险。因此,在手术室工作的医生仍然警惕卫生保健工作者的甲醛危害。[ 18 ]

目前,有一些消除室内空气中甲醛的技术,如生物法,活性炭纤维吸附,光催化氧化和生物过滤; 然而,没有一个是完全令人满意的,由于低浓度以及此化学品的挥发特性。[ 19,20,21,22 ]除了这一点,增加通气速度是困难的,不经济的公共。最近几十年,植物修复吸引了很多人的考虑,可能是因为它具有环境,经济和社会效益。此外,它的潜力,帮助传统的和新的建筑零排放。[ 23,24 ]

许多植物可以从室内空气中除去甲醛。[ 2,25,26 ]植物叶片通过气孔和角质层吸收量甲醛,和新叶容易吸收的甲醛蒸汽。[ 3,27 ]此外,一些研究表明,土壤中的微生物是能够降解污染物和该降解的建议将通过根分泌物得到鼓励。[ 28,29,30 ]当甲醛被吸收,它的一部分被氧化成二氧化碳在卡尔文循环,而另一个组合成生物,例如作为氨基酸,脂类,游离糖,有机酸和细胞壁成分。[ 3,10 ]

进行该研究的目的是使用由树脂玻璃制成的中试规模室通过盆栽植物测定室内空气中的甲醛去除效率。为此目的,使用来自Lomariopsidaceae家族的Nephrolepis obliterata植物(剑蕨)。这种植物在整个伊朗都有很大的可用性,可以适应室内环境。在这项工作中,甲醛被用作室内常见的VOC污染物,但这些方法对其他VOC也很实用。[ 31 ]

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方法
试验室和实验装置
实验在树脂玻璃室中进行,体积为375L(长84cm×宽62cm×高72cm),完全气密。在腔室前面设置门,该门由粘性泡沫橡胶绝缘带和可调节金属夹密封。两个PC风扇(型号:350 XA,2.03P4)固定在腔室内,以提供熏蒸空气的完全混合。腔室的温度和相对湿度(RH)由数字温度计控制[ 图1 ]。光强度应该是自然室内环境光,使用YF-170数字照度计(Tenmars)在实验期间每天四次在室内五个方向(西,东,北,南和室上方)测量的自然室内环境光台湾电子有限公司)。

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为IJPVM-9-70-g001.jpg
图1
实验装置示意图:(1)空气泵,(2)活性炭柱,(3)甲醛溶液(37%)容器,(4)加湿容器,(5)混合容器,(6)流量计,(7) )气体采样口,(8)试验箱,(9)空气混合风扇,(10)温湿度传感器,(11)取样冲击器,(12)提取

图1显示了本研究的实验设置。该系统由三个主要部分组成,包括(I)用于放置植物以与含有甲醛的气流接触的室; (II)连接到流量计和冲击器系统的空气泵,该系统提供所需浓度的空气,水蒸气和甲醛气体混合物; (III)从室入口和出口分析甲醛浓度的取样系统,包括真空泵,流量计,含有液体吸收剂的双重冲击器。使用不锈钢和硅管连接系统隔室。

甲醛测量
通过含有37%甲醛溶液的气体鼓泡器将甲醛蒸气引入室中。[ 2 ]通过真空泵(型号:ACO-5504,5w)提供空气,并通过针阀玻璃流量计测量空气流量( CT Platon,法国)。此外,空气流通过活性炭柱以吸附任何潜在的污染物。根据NIOSH-3500方法,可见吸收光谱测定技术,使用DR5000分光光度计(DOC022.53.00654-HACH Lange,Co.USA)测量甲醛浓度。这是最灵敏的甲醛分析方法,能够检测低至0.1 ppm,最适合测定环境样品中的甲醛。[ 32 ]

植物材料
在这项研究中,使用了一种来自Lomariopsidaceae科的蕨类植物金伯利女王蕨(N. obliterata)。选择该物种是因为它们是伊朗常用的室内植物之一,而且经济且易于获取。从商业经销商(花卉市场)购买植物盆并在实验室条件下保存至少一个月以适应环境并每2天浇水。

实验步骤
为了研究植物的甲醛去除潜力,设计并分四个阶段进行实验程序:(I)“空室测试”,没有已知量甲醛入口的盆栽植物,以确定由于(例如泄漏,吸收和化学反应); (II)通过向腔室引入不同的甲醛浓度,“全植物吸收试验”,包括植物的土壤和面积部分; (III)“黑暗试验”以明显的光强度对植物的甲醛去除效率的影响; (四)土壤吸收试验(包括根)。

在上述其他实验之前评估空室损失。测试室的组合损失,入口甲醛浓度范围为4.5-7mg / m 3,在40%和80%的两种不同RH下进行6天。然后,将两盆平均高度为48.4cm的植物区域和17cm的根部(盆和土壤)放置在室内,以提供足够的叶面积以实现最佳的空气净化。将植物持续暴露于与入口浓度范围从0.5到12.0毫克/米甲醛蒸气3。[ 3每个浓度的测试进行2天。在暴露期间,每隔清晨和傍晚(每个入口浓度4次)从室的入口和出口取样,并报告它们的平均值。应该注意的是,植物在开始下一次浓度测试之前休息24小时。

通过用黑布覆盖整个室(整个植物[EPs])来进行黑暗测试。该测试也进行了2天,但仅针对入口浓度之一,其中测试浓度范围的中位数(例如,4.7mg m -3)。此后,通过外科手术取出其他两种植物的地上部分,其具有与之前测试中使用的相同的盆和面积大小,并且仅将仅含有土壤和根的盆放回室中,然后重复实验以获得入口浓度的5.23毫克/米3 2天。[ 3,27 ]的一组新的植物是在该阶段的实验中使用,以避免混淆错误作为现有甲醛曝光的结果。

植物形态和生理学
在熏蒸之前和之后评估植物的关键特征,包括形态学和生理学(植物高度,叶面积,干重,新鲜湿重,叶绿素含量和类胡萝卜素),以评估甲醛对这些特征作为植物生长指数的影响。根据Lichtenthaler和Wellburn方法测定叶绿素含量和类胡萝卜素[ 33 ]。为了测定单个叶面积,对叶子进行计数并分类为大,中和小。从每个类别中取出六个样品,并通过叶面积计(ΔT面积计MK2)测量它们的面积。每个类别的平均表面积乘以每个类别中计算的叶子数,并计算每个植物的总表面积。[ 2此外,在实验之前和结束时测量植物高度。通过分析规模确定叶子的新鲜湿重,并以叶面积的mg / cm 2报告。此后,通过在80℃的烘箱中将它们干燥24小时来测量叶子干重,通过分析规模称重并以mg / cm 2的叶面积报告。

数据分析
使用以下公式计算流入腔室的空气中的甲醛浓度(C T):

C T =(C 2 · Q 2)/(Q 1 + Q 2)

其中C 2是从含有甲醛溶液的撞击器冒出的空气中的甲醛浓度,Q 1是需要稀释的空气流量,Q 2是通过甲醛溶液的空气流量[ 图1 ]。使用进入和离开腔室的甲醛浓度计算去除效率如下:

包含图片,插图等的外部文件。对象名称为IJPVM-9-70-g002.jpg

消除能力(EC),植物叶片每单位表面积除去的甲醛蒸气量(mg / m 2 / h)计算如下:

EC = Q(C in - C out)/ S L.

其中C in和C out分别是甲醛的入口和出口浓度(mg / m 3),Q是进入室的入口污染空气流量(m 3 / h),S L是总叶面积(m 2))。最后,在Excel软件下进行统计分析,绘制图表和表格。

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结果
实验期间反应器内外的平均温度分别为26.99℃±0.84℃和26.84℃±0.81℃,RH的平均温度分别为78.94%±2.25%和18.885±1.54%。测量在白天接近腔室坐标的背景光,并计算它们在测量时间和整个研究期间的平均值。光强度为1795.56±259.29勒克斯。RH内部和外部之间存在差异。对于温度和光强度,差异可以忽略不计。

表1表示在各种入口甲醛浓度(C in)下用 N. obliterata植物实验期间达到的平均出口(C out)甲醛浓度。还研究了EP,以及根据和不考虑腔室组合损失的根和土壤的甲醛总减少量。测试空室的综合损失,入口甲醛浓度范围为5.01-6.11 mg / m 3在40%和80%的两种不同RH下分别为5.11%和14.04%。因此,尽管报告了整个去除效率,但是从实验期间获得的所有结果中扣除了14%的损失并且报告为净去除效率。由于将腔室AER保持在每小时1次(1 n / h)附近的流速限制,不可能将腔室RH降低至75%,因此我们尝试在RH下进行实验。 80%±5%。检测EP去除效率,入口甲醛浓度上升0.6至11.2 mg / m 3,每次2天,报告结果的平均值[ 表1 ]。

表格1
通过空气和Nephrolepis的根部部分实现的甲醛蒸气平均减少,有或没有组合室损失

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通过盆栽的N. obliterata植物 - 土壤系统的甲醛去除效率,有和没有室组合损失,受到不同入口甲醛浓度的影响,如图2a所示。从流入腔室的污染空气中除去约81%-100%的甲醛。通过从整个去除百分比中减去腔室组合损失来计算EP净去除效率。图2b显示了没有和考虑到腔室损失的EP的甲醛EC。

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图2
通过盆栽的Nephrolepis obliterata植物 - 土壤系统的甲醛去除效率(a)和消除能力(b)具有(整体)和没有(净)联合室损失,受入口甲醛浓度的影响

在彻底黑暗的环境下进行另外的实验以比较在光照与黑暗条件下的去除效率。在黑暗环境中将植物暴露于甲醛浓度4.7mg / m 3,持续2天。在每天的早晨和晚上测量流出物浓度,并且结果的平均值在表1中报告。

表2列出了与污染物接触后植物生长特性及其百分比变化的结果。甲醛对植物的最重要影响是植物湿重和含水量的降低,分别降低了27%和5%。然而,测试的甲醛浓度不能中止植物生长,而熏蒸过程中植物的叶绿素含量,类胡萝卜素水平和平均高度分别增加了9.58%,21.79%和6.46%。

表2
实验过程中Nephrolepis闭塞的形态和生理变化

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讨论
这项研究的结果表明,N。obliterata植物 - 土壤系统在持续长时间熏蒸过程中大大消除了污染空气中的甲醛蒸气。如图2所示,从流入腔室的污染空气中除去约90%-100%的甲醛,入口浓度范围为0.63-9.73mg / m 3。然而,在48小时内将入口浓度增加至11.09mg / m 3,去除效率降低。这表明植物不能耐受高于约10mg / m 3的浓度。通过增加入口甲醛浓度和延长暴露时间,EC增加。这种增加消除速率可能是由植物和土壤表面,根,降解通过微生物或植物的气孔细菌适应和摄取的归属地发生。[ 27,33,34 ]已经提出的是,当甲醛进入植物透过树叶首先被氧化,然后转化成CO解毒2和内置于经由卡尔文循环的植物材料。[ 35 ]等,这导致较慢的扩散速率到植物中的腔室的其他挥发性有机化合物甲醛的消耗可能被发生。[ 27然而,在入口浓度为9.7mg / m 3的情况下获得了断点。尽管入口浓度为11.09mg / m 3的实验,但未促进EC。

在类似的研究中,但不同的植物,徐等人。的约95%为吊兰土系统,53%用于报告甲醛去除率芦荟 -土壤系统,以及用于与1-11毫克/米的入口浓度范围金色柑子土系统84%3,并在光240微摩尔/米的强度2在白天/秒。[ 3 ]已经报道了EC由甲醛被去除上重复接触这是按照与我们的结果而增加。[ 6,21,33 ]根据表1盆栽土壤与根系对甲醛去除的贡献占EP去除总量的26.39%。对于在本研究中除去甲醛的盆栽土壤的容量是相当类似于那些已经在文献中已经报告。[ 3,34,36 ]这个成就可以归因于丰土壤微生物活性的由根渗出物刺激这作为土壤微生物的营养物质。[ 37 ]此外,随着盆栽植物暴露表面的增加,甲醛去除能力增加。[ 3 ]

结果还表明,与入口甲醛浓度相同的其他研究相似,自然光下的去除效率高于黑暗环境。此外,在相同条件下,但在具有更高的光强度的天甲醛去除较高。[ 3,27 ]无论是在植物叶片气孔和角质层可以是用于去除VOC通路。但是,它可能取决于VOC的特性。甲醛是一种亲水性的VOC,因此,因为它是由脂质无法通过角质层扩散容易。[ 38,39 ]它是,因此,结论是,甲醛溶解通过气孔如气孔是在光打开和在黑暗中关闭。[ 40,41 ]另一种解释可以在光合作用和代谢率在白天会导致更多的甲醛清除相比夜晚时间的增加。[ 42,43 ]

在一些研究中已经报道,第一个我们的去除率更高并且随着时间的推移而减少。[ 44 ]然而,这仅在批量系统中是准确的,而不是在我们的研究中应用的连续流动系统中。这可能是我们研究中长时间暴露后EP在较高入口浓度下去除效率较低的原因,与在较短暴露时间后该物种植物 - 土壤系统在高入口浓度下显​​示出良好甲醛去除效率的研究相比较。[ 10在我们的研究中,增加植物生长特性表明甲醛的入口浓度高达11 mg / m 3在熏蒸试验期间无法阻止植物生长。这很可能归因于植物对甲醛的高抗性。

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结论
甲醛主要从建筑材料,家居用品和吸烟中释放到室内环境中。在该研究中检查的盆栽N. obliterata植物 - 土壤系统具有在长时间暴露下从污染空气中去除甲醛的能力。尽管EP在去除甲醛方面有更多的贡献,但是盆栽土壤和根系的影响相当大,这可归因于土壤中微生物对污染物的吸收和代谢。植物的甲醛EC随着入口浓度的增加而增加,并且在浓度高于11mg / m 3时达到平台。EP在白天显示出更多的去除,而不是夜晚和黑暗。对植物形态和生理学的检验表明N. obliterata对甲醛具有很强的抵抗力,而长期接触不能阻止植物的生长。从我们的研究结果可以明显看出,植物修复是最有效,经济和环境友好的室内空气净化方法之一,可以帮助改善身心健康。

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