（环境科学与工程专业论文）盆栽植物净化空气中挥发性有机污染物研究.pdf

摘要 盆栽植物净化空气中挥发性有机污染物研究 摘要 甲醛是一种主要的室内有机污染物。甲醛的存在能严重危害室内居民 的身体健康，因此，室内甲醛的净化有助于降低城市居民的健康风险。本 文采用动态培养法定量研究了吊兰、芦荟、黄金葛三种盆栽植物茎叶对甲 醛的净化效果。通过提取、纯化和测定三种植物茎叶中的甲醛脱氢酶，确 定了各植物茎叶净化甲醛的生物学机制。研究结果表明，吊兰茎叶对甲醛 的去除速率最高，黄金葛次之，芦荟最低。在同一光照下，吊兰、芦荟和 黄金葛三种盆栽植物茎叶的去除速率随着甲醛气体初始浓度的升高也逐 渐升高。这都与三种植物茎叶的甲醛脱氢酶的活性大小顺序相一致。因此， 甲醛脱氢酶比活力的定量测定为植物茎叶净化甲醛提供了一定的理论依 据。此外，在同一甲醛气体初始浓度下，吊兰、芦荟和黄金葛三种盆栽植 物茎叶在白天的去除速率明显比黑夜的去除速率高。 苯作为第二大室内有机污染物，本实验考察了植物茎叶受到苯和甲醛 复合污染时的作用机制。研究结果表明，当向系统中持续通入约1 5 p p m 的苯气体后，三种植物茎叶对甲醛的去除速率都明显升高。由于黄金葛对 苯的降解能力比吊兰强，因此受到复合污染时，黄金葛对甲醛的去除速率 的增加的明显程度比吊兰显著。 甲苯作为工业和室内的主要污染物，本实验考察了三种植物对低浓度 工业甲苯废气的净化能力，研究了盆栽植物土壤和茎叶在不同甲苯浓度下， 对甲苯的去除速率以及在净化过程中各自的贡献。研究结果表明，吊兰、 l 芦荟和黄金葛三种盆栽植物对低浓度甲苯( 芦荟体系 黄金葛体系。根据差减法得到的三种植物茎叶的去 除速率与甲苯入口浓度成正相关，且三种植物茎叶对甲苯均有明显的净化 作用。每种植物的茎叶在白天时的去除速率明显大于黑夜时的去除速率。 比较三种植物茎叶的净化能力，同一甲苯浓度下，芦荟单位质量茎叶对甲 苯的去除速率为最低。随着甲苯入口浓度的升高，吊兰盆栽一土壤体系对 甲苯的去除效率逐渐降低；芦荟和黄金葛盆栽土壤体系的去除效率受甲 苯气体初始浓度的影响不大。 关键词：盆栽植物，动态培养，甲醛，甲醛脱氢酶，苯，甲苯 r e s e a r c h0 fv o l a t i l eo r g a n i cp o l l u t a n t s r e m o v a lf r o ma i rb y p o t t e dp l a n t s a b s t r a c t f o r m a l d e h y d e i so n eo fm a jo ri n d o o ro r g a n i c p o l l u t a n t s b e c a u s e f o r m a l d e h y d ei sh a r m f u lt oh e a l t ho fi n d o o rr e s i d e n t s ，f o r m a l d e h y d er e m o v a l f r o mi n d o o ra i ri sh e l p f u lt or e d u c et h eh e a l t h yr i s ko fc i t yr e s i d e n t s i nt h i s a r t i c l e ，t h ed y n a m i cc h a m b e ri n c u b a t i o nw a su s e dt oq u a n t i t a t i v e l ys t u d y f o r m a l d e h y d er e m o v a lb yt h r e ek i n d so fp o r e dp l a n t s ，i e ，s p i d e rp l a n t ，a l o e a n dg o l d e np o t h o s f o r m a l d e h y d ed e h y d r o g e n a s ei nt h es h o o t so ft h r e ep l a n t s p e c i e sw a se x t r a c t e d ，p u r i f i e da n dd e t e r m i n e d ，w h i c hw a su s e dt oi d e n t i f y b i o l o g i c a lm e c h a n i s mo ff o r m a l d e h y d er e m o v e do ft h es h o o t s t h er e s u l t s s h o w e dt h a tf o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t i e so ft h es h o o t sa p p e a r e da s ： s p i d e rp l a n t g o l d e np o t h o s a l o e a tt h es a m el i g h ti n t e n s i t y , t h e f o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t i e so fa l ls h o o t si n c r e a s e dw i t hf o r m a l d e h y d e c o n c e n t r a t i o n t h eo r d e r so ff o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t i e sw e r es a m ew i t h t h eo r d e r so ff d ha c t i v i t i e s ，i n d i c a t i n gt h a tf o r m a l d e h y d er e m o v a lb yt h e s h o o t sa r em a i n l yb a s e do nf d ha c t i v i t i e si nt h e m i na d d i t i o n ，f o r m a l d e h y d e l i l 北京化工大学硕：i ：学位论文 r e m o v a lc a p a c i t i e so ft h es h o o t so fp o t t e dp l a n t si nd a y t i m ew e r eh i g h e rt h a n i nt h en i g h t t i m eu n d e rt h es a m ef o r m a l d e h y d ec o n c e n t r a t i o n b e n z e n ei st h es e c o n do fm a jo ri n d o o ro r g a n i cp o l l u t a n t s i nt h ea r t i c l e ，a s t u d yw a sc o n d u c t e df o ri n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c to f b e n z e n eo nf o r m a l d e h y d e r e m o v a l b y t h e p l a n t s h o o t sw h e nt h e p o t t e dp l a n t s w e r ef u m i g a t e d s i m u l t a n e o u s l yi ng a s e o u sf o r m a l d e h y d ea n db e n z e n e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t f o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t i e so f t h es h o o t so f p o t t e dp l a n t si n c r e a s e dw i t h g a s e o u sb e n z e n ef u m i g a t i o n ( c a 15 p p m ) b e c a u s e b e n z e n ed e g r a d a t i o na b i l i t y o fg o l d e np o t h o sw a ss p o n g e rt h a no fs p i d e rp l a n t ，t h e i n c r e m e n to f f o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t yo fg o l d e np o t h o sw a sf a s t e r t h a no fs p i d e r p l a n tw h e nt h e yw e r ef u m i g a t e ds i m u l t a n e o u s l y i nf o r m a l d e h y d ea n db e n z e n e i na d d i t i o n ，t o l u e n ew a sam a i ni n d u s t r i a la n di n d o o rp o l l u t a n t t h e t o l u e n er e m o v a la b i l i t i e so ft h r e ep l a n ts p e c i e sw e r es t u d i e dw h e nt h et o l u e n e c o n c e n t r a t i o n sw e r el o w e r t o l u e n er e m o v a lc a p a c i t i e so fp o t t e dp l a n t sw e r e s t u d i e du n d e rt h ed i f f e r e n tt o l u e n ec o n c e n t r a t i o n s t h ec o n t r i b u t i o n so f s h o o t s a n ds o i lf o rf o r m a l d e h y d er e m o v a lw e r es t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t s s h o w e dt h a ts p i d e rp l a n t ，a l o ea n dg o l d e np o t h o sa l lh a do b v i o u st o l u e n e r e m o v a la b i l i t i e su n d e rt h el o w e rc o n c e n t r a t i o n ( a l o e g o l d e np o t h o s t h ec a p a c i t i e s o ft o l u e n e r e m o v a lf o rt h es h o o t so ft h r e ep l a n ts p e c i e sw e r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t h i n l e tt o l u e n ec o n c e n t r a t i o n t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tg a s e o u st o l u e n ec a n b es i g n i f i c a n t l yr e m o v e db yt h es h o o t s i nt h ed a y t i m e ，t h es h o o t sh a d s i g n i f i c a n t l yh i g h e rc a p a c i t i e so ft o l u e n er e m o v a lt h a ni nt h en i g h t t i m e t h e t o l u e n er e m o v a lc a p a c i t yo fs h o o t so fa l o ee x p r e s s e do nt h eb a s i so fu n i tm a s s w a sl o w e s t t h et o l u e n ed e g r a d a t i o nr a t e so fp o t t e dp l a n ts y s t e ma n ds o i l s y s t e mo fs p i d e rp l a n tw e r ed e c r e a s i n gw i t ht h er i s eo ft o l u e n e i n l e t c o n c e n t r a t i o n a n dt h ee f f e c to fi n l e tt o l u e n ec o n c e n t r a t i o no nd e g r a d a t i o n r a t e so fa l o ea n dg o l d e np o t h o sc a nb en e g l i g i b l e k e y w o r d s ：p o r e dp l a n t s ；d y n a m i ct r a i n i n g ；f o r m a l d e h y d e ； f o r m a l d e h y d ed e h y d r o g e n a s e ；b e n z e n e ；t o l u e n e v 原书空白页 不缺内容 日录 目录 第一章绪论1 1 1 挥发性有机污染物的来源和危害1 1 1 1 挥发性有机污染物的来源及其排放现状1 1 1 2 挥发性有机污染物对人类的危害。3 1 2 挥发性有机污染物的控制技术4 1 2 1 吸附法4 1 2 2 化学反应法5 1 2 3 光催化法6 1 2 4 低温等离子体法6 1 2 5 生物处理法7 1 2 6 组合法8 1 3 盆栽植物净化挥发性有机污染物的研究进展9 1 3 1 盆栽植物净化挥发性有机物的机理1 0 1 3 2 盆栽植物净化挥发性有机物的国内外研究进展1 0 1 4 研究目的和意义11 1 5 研究内容1 2 第二章实验装置和仪器1 3 2 1 研究对象13 2 2 实验装置1 3 2 3 实验仪器1 4 2 3 1g x z 2 8 0 b 光照培养箱1 4 2 3 24 1 6 0 - 1 9 9 9 m 型甲醛分析仪1 4 2 3 3a c m e 6 0 0 0 气相色谱分析仪1 4 2 3 4u v - 2 1 0 2 p c 紫外分光光度计1 4 第三章植物茎叶对甲醛的去除1 5 v i i 北京化工人学硕上学位论文 3 1 植物茎叶对甲醛的去除实验1 5 3 1 1 材料和方法1 5 3 1 2 计算方法15 3 2 植物茎叶中甲醛脱氢酶的活性测定1 6 3 2 1 实验试剂16 3 2 2 实验机理1 7 3 2 3 植物茎叶中粗酶的提取1 7 3 2 4 测定植物茎叶中蛋白质含量1 7 3 2 4 1 实验原理1 7 3 2 4 2 绘制蛋白质含量标准曲线一1 8 3 2 4 3 测定植物提取液中总蛋白含量1 8 3 2 5 测定植物茎叶中甲醛脱氢酶的比活力1 9 3 2 6 计算方法19 3 2 6 1 样品蛋白质含量的计算方法1 9 3 2 6 2f d h 酶活性的计算方法1 9 3 2 6 3f d h 比活力与甲醛去除速率的转化1 9 3 3 结果和讨论2 0 3 3 1 三种植物单位质量茎叶去除甲醛的速率比较2 0 3 3 2 植物提取液中总蛋白质含量测定2 2 3 3 3 三种植物茎叶甲醛脱氢酶活性比较2 3 3 3 4 甲醛脱氢酶比活力与甲醛去除速率比较2 4 3 4 小结2 5 第四章苯对盆栽植物茎叶去除甲醛速率的影响。2 7 4 1 材料和方法2 7 4 1 1 实验材料和方法2 7 4 1 2 计算方法2 8 4 2 结果和讨论2 8 4 2 1 三种植物单位质量茎叶对甲醛的去除速率比较2 8 4 2 2 苯对三种植物茎叶去除甲醛速率的影响2 9 4 3 小结3 1 第五章三种盆栽植物对气态甲苯的去除。3 3 目录 5 1 材料和方法3 3 5 1 1 实验材料和方法3 3 5 1 2 气态甲苯质量浓度标准曲线的绘制3 3 5 1 3 计算方法3 3 5 2 结果和讨论3 3 5 2 1 植物盆栽体系去除不同浓度甲苯的速率3 3 5 2 2 植物土壤体系去除不同浓度甲苯的速率3 6 5 2 3 植物土壤体系和茎叶去除甲苯时各自的贡献3 8 5 2 4 植物单位质量茎叶去除不同浓度甲苯的速率4 0 5 2 5 盆栽植物土壤体系对甲苯的去除效率4 3 5 3 小结4 4 第六章结论和建议4 5 6 1 结论4 5 6 2 建议4 6 参考文献4 7 驾【 射 。51 研究成果及发表的学术论文5 3 作者及导师简介5 5 作者简介。5 5 导师简介5 5 l x 原书空白页 不缺内容 目录 c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1s o u r c ea n dh a z a r d so f v o l a t i l eo r g a n i cp o l l u t a n t 1 1 1 1s o u r c ea n de m i s s i o no f v o l a t i l eo r g a n i cp o l l u t a n t 1 】【1 2h a r mt oh u m a n b e i n g so f v o l a t i l eo r g a n i cp o l l u t a n t 3 1 2c o n t r o lt e c h n o l o g yo f v o l a t i l eo r g a n i cp o l l u t a n t 4 1 2 1a d s o r p t i o nm e t h o d 4 1 2 2c h e m i c a lr e a c t i o nm e t h o d 5 1 2 3p h o t o c a t a l y t i cm e t h o d 6 1 2 4l o w - t e m p e r a t u r ep l a s m am e t h o d 6 1 2 5b i o l o g i c a lt r e a t m e n t 7 1 2 6c o m b i n a t i o nm e t h o d s 8 1 3r e s e a r c hp r o g r e s so f v o c sr e m o v e db yp o t t e dp l a n t 9 1 3 1m e c h a n i s mo f v o c sr e m o v e db yp o t t e dp l a n t 10 1 3 2r e s e a r c hp r o g r e s so f v o c sr e m o v e db yp o t t e dp l a n t 1 0 1 4p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e o f t h er e s e a r c h l1 1 5r e s e a r c hc o n t e n t 1 ：! c h a p t e r2e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n di n s t r u m e n t s 1 3 2 1r e s e a r c ho b j e c t 1 3 2 2e x p e r i m e n t a ld e v i c e 13 2 3e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s 1 4 2 3 1i l l u m i n a t i o ni n c u b a t o r 1 4 2 3 2f o r m a l d e h y d ea n a l y z e r 1 4 2 3 3g a s c h r o m a t o g r a p h ya n a l y z e r 1 4 2 3 4u v s p e c t r o p h o t o m e t e r 1 4 c h a p t e r 3f o r m a l d e h y d er e m o v eo fp l a n ts h o o t s 1 5 3 1f o r m a l d e h y d er e m o v a lb yp l a n ts h o o t s 1 5 3 1 1m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 1 5 x i 北京化工火学硕：l 学位论文尼 3 1 ：! c a l c u l a t i o nm e t h o d 15 3 2f d h a c t i v i t yd e t e r m i n a t i o no f t h ep l a n ts h o o t s 1 6 3 2 1e x p e r i m e n t a lr e a g e n t 16 3 2 2e x p e r i m e n t a lm e c h a n i s m 1 7 3 2 3c r u d ee n z y m ep r e p a r a t i o n 1 7 3 2 4p r o t e i nc o n t e n td e t e r m i n a t i o no f t h ep l a n ts h o o t s 17 3 2 4 1e x p e r i m e n tp r i n c i p l e 1 7 3 2 4 2s t a n d a r dc u r v ed r a w i n go f p r o t e i nc o n t e n t 18 3 2 4 3t o t a lp r o t e i nc o n t e n td e t e r m i n a t i o ni np l a n te x t r a c t 18 3 2 5f d h a c t i v i t yd e t e r m i n a t i o no f t h ep l a n ts h o o t s 1 9 3 2 6c a l c u l a t i o nm e t h o d 1 9 3 2 6 1c a l c u l a t i o nm e t h o do f s a m p l ep r o t e i nc o n t e n t 1 9 3 2 6 2c a l c u l a t i o nm e t h o do f f d ha c t i v i t y 1 9 3 2 6 3t r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nf d h a c t i v i t ya n df o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t y 1 9 3 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 0 3 3 1c o m p a r ef o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t yo fu n i tq u a l i t ys h o o t s 2 0 3 3 2s a m p l ep r o t e i nc o n t e n td e t e r m i n a t i o n 。2 2 3 3 3f d h a c t i v i t yd e t e r m i n a t i o no f t h es h o o t so f t h r e ek i n d so f p l a n t s 2 3 3 3 4f d h a c t i v i t ya n df o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t y 2 4 3 4s u m m a r y 2 5 c h a p t e r4f o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t yo fs h o o t s a sa f f e c t e db y b e n z e n e 2 7 4 1m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 2 7 4 1 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dm e t h o d s 2 7 4 1 2c a l c u l a t i o nm e t h o d 2 8 4 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 8 4 2 1f o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t yo f u n i tq u a l i t ys h o o t s 2 8 4 2 2f o r m a l d e h y d er e m o v a lc a p a c i t yo f s h o o t sa sa f f e c t e db yb e n z e n e 2 9 4 3s u m m a r y 31 c h a p t e r 5t o l u e n er e m o v a lc a p a c i t yo ft h r e ek i n d so fp l a n t s 3 3 5 1m a t e r i a l sa n dm e t h o d s 3 3 x i l 目录 5 1 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dm e t h o d s 3 3 5 1 2d r a w i n go f t o l u e n es t a n d a r dc u l w e 3 3 5 1 3c a l c u l a t i o nm e t h o d 3 3 5 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 3 3 5 2 1t o l u e n er e m o v a lc a p a c i t yo f p o t t e dp l a n ts y s t e m 3 3 5 2 2t o l u e n er e m o v a lc a p a c i t yo fs o i ls y s t e m 3 6 5 2 3r e s p e c t i v ec o n t r i b u t i o n so nt o l u e n er e m o v a lo f s h o o t sa n ds o i l 3 8 5 2 4t o l u e n er e m o v a lc a p a c i t yo f u n i tq u a l i t ys h o o t s 4 0 5 2 5t o l u e n ed e g r a d a t i o nr a t e so f p o t t e dp l a n t sa n ds o i ls y s t e m 4 3 5 3s u m m a r y 4 4 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 4 5 6 1c o n c l u s i o n s 4 5 6 2s u g g e s t i o n s 4 6 r e f e r e n e e s 4 7 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 1 r e s e a r c hr e s u l t sa n da c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e d 5 3 b r i e fi n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n dt u t o r 5 5 a u t o rb r i e f i n t r o d u c t i o n ，5 5 t u t o rb r i e f i n t r o d u c t i o n ! ；! ； x l i i 第一章绪论 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，环境问题伴随着全球经济的快速发展已日益突显，逐渐受到 了人类的普遍关注。其中，大气环境污染问题是我国目前面临的最严重的环境问题之 一。挥发性有机化合物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，简称v o c s ) 作为一类重要的 大气污染物，一般是指c 1 - c 1 0 的具有高挥发性的有机化合物。其中常见的有甲苯 ( t o l u e n e ) 、二甲苯( x y l e n e ) 、对二氯苯( p a r a - d i c h l o r o b e n z e n e ) 、乙苯( e t h y l b e n z e n e ) 、 苯乙烯( s t y r e n e ) 、甲醛( f o r m a l d e h y d e ) 、乙醛( a c e t a l d e h y d e ) 等。v o c s 一般以溶 剂的形式进入环境，经挥发、释放后以气态的形式进入大气环境。这种气态有机物是 各种光化学氧化剂如臭氧( 0 3 ) 的主要贡献者之一，同时因其燃烧产生二氧化碳而成 为造成温室效应的原因之一。目前，v o c s 排放量大、污染面广、毒性强、持续时间 长，对人类的生产、生活产生了巨大的影响。其中，工业生产过程是v o c s 的重要来 源。有机化工、石油化工、炼焦、化学医药、橡胶生产、高分子、涂料、油漆等化工 生产过程中排放的有机废气、汽车尾气和光化学烟雾等，都已给我国的大气环境造成 了极其严重的污染。此外，挥发性有机污染物还来源于室内环境中燃料的使用、燃烧 产物的排放、吸烟、厨房烹饪、化妆品、家具、装潢材料等等。它们不仅有难闻的气 味，对人体的危害也具有潜伏性。因此，室内和工业中挥发性有机污染物的过量排放 给人类的健康带来了巨大的风险。 鉴于挥发性有机物对人体产生的各种可能的危害，同时也为规范各行各业的大气 排放要求，国家环保部已制定了各种大气质量标准。其中，大气污染物综合排放标 准( g b l 6 2 9 7 1 9 9 6 ) 规定现有建设项目污染源中，甲醛、苯和甲苯的最高允许排放 浓度分别为1 7 、3 0 和6 0 m g m - 3 。室内空气质量标准( g b t1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) 规定甲醛、 苯和甲苯的室内质量标准值分别为o 1 0 、0 1 1 和o 2 0m g m - 3 。目前，工业上挥发性有 机污染物的去除方法有很多，如吸附吸收法、催化氧化法、等离子体法和生物代谢法 等。绿色盆栽植物，作为一种新型的生物净化法，不仅具有良好的观赏价值，同时对 有机废气也具有明显的净化效果。 1 1 挥发性有机污染物的来源和危害 1 1 1 挥发性有机污染物的来源及其排放现状 挥发性有机污染物的排放按照来源分类可以分为天然源和人为源两种：天然源的 排放量较小，且比较分散，不易造成严重的环境污染；而人为源的排放量大，比较集 中，因此其对人类的危害占主要位置。v o c s 的天然源主要是植物经代谢释放；人为 源主要有染料的不完全燃烧、生产过程中的泄露和排放、各种材料中作为溶剂的v o c s 的释放、汽车尾气的排放、溶剂的蒸发和生物代谢等。此外，树木、花草等在光合作 l 北京化- t 人学硕j 学位论文 用和高温下，也会释放出化学活性很高的挥发性有机物。目前，由于室内装修的盛行 和人类室内生活的多样化，走进室内的v o c s 逐渐增多，因此，室内挥发性有机污染 物的排放逐步引起了人类的广泛关注。在室内环境的装潢过程中，挥发性有机物如甲 醛、苯、甲苯等常被用做装修材料等的粘合剂、溶剂等，还大量应用于香水、化妆品、 墙纸、清洁剂、油漆中，尤其是吸烟产生的烟雾中【1 1 。此外，室内环境中燃料的使用、 燃烧产物、厨房烹饪、室内电子产品、电器设备等也会排放挥发性有机污染物。v o c s 的来源和污染途径见表1 1 【2 1 。 资料显示，据1 9 9 7 年美国v o c s 的排放量估计，8 0 的挥发性有机污染物来源于 溶剂使用、运输和机动车辆的尾气排放，总排放量高达1 9 2 1 6k t a 1 ( 见表1 2 ) 3 1 。 法国s i m o n 等估算得出1 9 9 4 - - 一1 9 9