4種植物對水體中苯的凈化效果及其抗性響應(yīng)

裴淑蘭，王凱，雷淑慧

山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009

苯（C6H6）是最簡單的芳烴，俗稱天那水，常溫下為無色透明液體，易揮發(fā)，易燃，具有芳香型氣味，密度為0.88 g·mL-1，微溶于水，易溶于有機溶劑，其自身也是一種良好的溶劑（路守彥，2011）。由于苯具有毒性，已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織列為強烈致癌物質(zhì)（呂超，2013；蘭國棟等，2009）。

苯在工業(yè)生產(chǎn)中的使用非常普遍，常被應(yīng)用于塑料、染料、去污劑、殺蟲劑、纖維、橡膠、汽油添加劑等工業(yè)生產(chǎn)中（路守彥，2011），隨著此類工業(yè)廢水的排放，苯不斷進入水環(huán)境中，成為水體中常見污染物之一，對水環(huán)境和人類造成嚴重的影響和危害（Carletti et al.，2009）。因此，研究水體中苯的凈化對于保護和改善人類生存環(huán)境具有重要意義。

凈化苯的傳統(tǒng)方法主要是物理化學(xué)方法，如吸附法、光催化氧化法等，但往往操作復(fù)雜，費用高，且存在二次污染（Froom，2008）。近年來，利用植物可以吸附、吸收或降解環(huán)境中有毒物質(zhì)的能力對污染水體進行修復(fù)的相關(guān)技術(shù)研究（Chaney，1983；胡鵬杰等，2014；陸成云等，2015；）已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。目前此類方法被較多地應(yīng)用于水體中氮、磷及重金屬污染物的凈化，而對苯的植物修復(fù)研究還僅僅集中于對室內(nèi)空氣中苯的凈化方面（周茜茜等，2013；王彥靖等，2014；來伊楠等，2015；魯敏等，2016；魯敏等，2017），將其應(yīng)用于水體中苯的凈化卻鮮見報道（樊蘭英等，2010；于方磊等，2012；董曉麗等，2013；裴亮宇等，2013）。本研究以菊芋（Helianthus tuberosus L.）、旋覆花（Inula japonica Thunb.）、千屈菜（Lythrum salicaria L.）和紅蓼（Polygonum orientale L.）4 種抗逆性、適應(yīng)性強，耐水濕的觀花植物為修復(fù)試驗材料，探討其對污水河道水體中苯的去除能力，旨在為污水河道水體中苯的凈化及污水河道綠化提供新的植物種類選擇。

1　材料和方法

1.1　材料的采集與馴化

試驗于2016年7月進行，4種觀花植物分別為菊芋、旋覆花、千屈菜和紅蓼，均采自太原市澗河大同路至勝利街段。選擇生長健壯，植株挺拔，無病蟲害，葉色鮮綠，生長期相同的植株，用鐵鍬挖起后連土帶回實驗室。反復(fù)沖洗植物根部泥沙，直至根部變?yōu)轷r白色，而后放入塑料桶（桶口直徑25 cm，深35 cm）中，每桶5株。桶內(nèi)加入3 L蒸餾水和pH值為7的Hoagland營養(yǎng)液150 mL，進行為期5 d的適應(yīng)性培養(yǎng)。

1.2　試驗設(shè)置

選擇長勢良好，無枯黃葉片，株高、地徑、生物量相近的植株（表1）。將植物的根部浸入0.1%的KMnO4中殺菌10 min，再浸入蒸餾水中緩解20 min，用濾紙吸干根部水分后放入經(jīng)消毒后的塑料瓶中，每瓶放置 1株植物，分別標記為菊芋（1）、旋覆花（2）、紅蓼（3）和千屈菜（4）。

表1　植物材料的規(guī)格Table 1　Size of different species of plants

1.2.1測定生物量變化試驗

試驗在山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院恒溫溫室內(nèi)進行，試驗期間的環(huán)境條件為晝夜比15 h∶9 h，溫度為(29±1) ℃，相對濕度為 68%±5%，預(yù)實驗測得苯在此條件下在水中的溶解度較低，平均質(zhì)量濃度為1.75 g·L-1，與趙劍英等（2009）得出的苯在水中的溶解度很低，僅為1.75 g·L-1的結(jié)論相符。所以，本研究以1.75 g·L-1作為苯處理的試驗濃度。每種植物設(shè)置12個重復(fù)樣，其中6個作為處理組，6個作為對照組。在處理組中，將配好的1.75 g·L-1苯溶液灌入經(jīng)過消毒的350 mL塑料瓶中（瓶口直徑5 cm），每瓶300 mL，其中含有Hoagland營養(yǎng)液15 mL供植物生長，CuSO43 mg以抑藻，氨芐青霉素10 mg以抑菌（施翔等，2008）。在對照組中，不添加植物，僅在瓶中用蒸餾水添加 15 mL含苯營養(yǎng)液。瓶口用塑料薄膜和膠帶密封，薄膜上扎小孔若干，以便植物呼吸，分別于試驗開始的第0天和第30天時測定植物生長量，并計算變化量。

1.2.2測定苯去除率和生理指標試驗

每種植物設(shè)置 12個重復(fù)樣，按照上述方法在瓶中灌入 1.75 g·L-1苯溶液后封口。分別于第0、5、10、15、20、25、30天測定各組溶液中剩余苯的濃度和各項生理指標，數(shù)據(jù)處理時將第0天的初始數(shù)據(jù)作為對照，結(jié)果取各組數(shù)據(jù)的平均值。

1.3　試驗方法

1.3.1苯去除率的測定

采用分光光度法測定溶液中剩余苯的濃度（于方磊等，2012），在252 nm處測定吸光值，根據(jù)苯濃度與吸光值的函數(shù)關(guān)系進行計算，y=927.8x（R2=0.97）（于方磊等，2012）。其中，y為苯的質(zhì)量濃度（mg·L-1），x為吸光值，再通過苯的質(zhì)量濃度計算苯去除率，公式如下：

式中，RT為苯的去除率；C0為溶液中苯的初始質(zhì)量濃度（mg·L-1）；Cr為處理結(jié)束時溶液中剩余苯的質(zhì)量濃度（mg·L-1）。

1.3.2生長指標的測定

分別在試驗初始和終止時，每組隨機選擇3株植物，用濾紙將植物體水分吸干后切開，分為地上部分和地下部分兩份，置于80 ℃下烘干4 h至恒重，使用托盤天平稱取重量，比較試驗前后植物地上和地下部分生物量的增長率R（尹程等，2012），計算公式如下：

式中，DW1和 DW2分別為試驗初始和終止時植物地上或地下部分生物量。

1.3.3生理指標的測定

1.3.3.1植物細胞傷害指標的測定

在各試驗組植物體中部選取向陽的健康葉片，避開主脈，剪碎，稱量1 g樣品待測。H2O2含量的測定參照Sergiev et al.（1997）的方法，在240 nm處測定吸光值，通過標準曲線計算數(shù)值。丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸法（郝建軍等，2001），用分光光度計分別在450、532和600 nm處測定吸光值（郝建軍等，2001），根據(jù)以下公式計算MDA含量（-1μmolg·）：

式中，Vt為提取液的總體積（mL）；Vs為測定用提取液體積（mL）；W為取樣重量（g）。

1.3.3.2植物體內(nèi)抗氧化酶的測定

超氧化物歧化酶（SOD）活性采用 NBT還原法測定（張至良，2003）；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚比色法（420 nm）（張至良，2003）；過氧化氫酶（CAT）活性采用過氧化氫分解法（張至良，2003）。

1.3.3.3植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的測定

采用小液流法測定植物體的水勢（張至良，2003），可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法進行測定（郝建軍等，2001），游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法進行測定（郝建軍等，2001），可溶性糖含量采用蒽酮比色法進行測定（張至良，2003）。

1.3.3.4植物光合指標的測定

每組隨機選擇 3株植物，每株植物選擇中間向陽的葉片3枚，用LI-COR-6400XT（LICOR，USA）便攜式光合儀測定其凈光合速率（Pn）。葉綠素含量的測定時參照張憲政的方法（張憲政，1992），健康功能葉片用直徑6 mm打孔器取5枚圓形小葉片，用體積分數(shù)為 95%的乙醇浸提，而后用分光光度計測定吸光值并計算葉綠素含量，結(jié)果取平均值。

1.4　數(shù)據(jù)分析與作圖

試驗數(shù)據(jù)運用Excel 2010和SPSS 19.0軟件處理，運用Excel 2010和Origin 8.0作圖。結(jié)果以各試驗組計算結(jié)果的平均值表示。

2　結(jié)果與分析

2.1　4種植物對水體中苯的去除效果

從圖1可知，4種植物對水體中苯的去除率隨著處理時間的延長呈現(xiàn)上升趨勢。其中，第5天內(nèi)各種植物對苯的去除率迅速升高，此后，除紅蓼對苯的去除率持續(xù)快速升高外，其他3種植物對苯的去除率的升高趨勢減緩。至第 30天時，菊芋、旋覆花、千屈菜和紅蓼對苯的去除率分別分別達到了59.83%、26.94%、21.14%和 78.22%，按去除效果大小排序為紅蓼＞菊芋＞旋覆花＞千屈菜。不加入植物的對照組中苯的消耗量為0.13 g·L-1，將其作為誤差對數(shù)據(jù)進行校正。

圖1　4種植物對水體中苯的去除效果Fig. 1　Effect of four species of plants for benzene removal

2.2　苯脅迫對4種植物生長狀況的影響

如圖2A所示，第30天時菊芋、旋覆花和千屈菜地上部分的生物量增長量與各自對照相比均達到極顯著水平（P＜0.01），而紅蓼和對照差異不明顯（P＞0.05）。菊芋、旋覆花、千屈菜和紅蓼第30天內(nèi)的生物量增長量分別比對照降低了24%、32%、35%和5%。

如圖2B所示，第30天時4種植物地下部分生物量增長量與對照相比均達到顯著水平（P＜0.05），且旋覆花和千屈菜的生物量增長量達到了極顯著水平（P＜0.01）。菊芋、旋覆花、千屈菜和紅蓼第30天內(nèi)生物量增長量分別比對照低10%、28%、44%和16%。

2.3　水體中苯對4種植物細胞傷害指標的影響

圖2　苯脅迫對4種植物生物量的影響Fig. 2　Effects of benzene on biomass of the four plants

如圖3A所示，在試驗期內(nèi)，溶液中的苯使得4種植物體內(nèi) H2O2含量呈現(xiàn)先升高后逐漸回落的趨勢。其中，旋覆花和千屈菜體內(nèi)的 H2O2含量在第30天內(nèi)始終高于對照（P＜0.05），并分別在第5天和第10天時達到最高；菊芋和紅蓼在第10天內(nèi)較對照有所上升之后（P＜0.05），分別在第15天和第25天時恢復(fù)到對照水平（P＞0.05）。

圖3　4種植物在苯脅迫下的細胞傷害分析Fig. 3　Analysis of the damage of cell membrane of the four plants under benzene stress

如圖3B所示，4種植物體內(nèi)MDA含量隨著溶液中苯處理時間的延長呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。其中，菊芋和紅蓼分別在第20天和第25天后恢復(fù)到對照水平（P＞0.05），此后低于對照（P＜0.05）；而旋覆花和千屈菜在整個試驗期內(nèi)MDA 含量始終顯著高于對照（P＜0.05），且在第10天時均達到最高值，到第30天時分別較對照高出94%和52%。

2.4　水體中苯對 4種植物體內(nèi)抗氧化酶活性的影響

如圖4A所示，菊芋體內(nèi)SOD活性在第5天時達到最大值，比對照高出 21.91%，但在第 10天后便恢復(fù)到對照水平（P＞0.05）。旋覆花體內(nèi)SOD活性在第 5～10天顯著下降并低于對照（P＜0.05），此后呈升高趨勢，第15天后顯著高于對照（P＜0.05），至第30天時比對照高出59.76%。千屈菜體內(nèi)SOD活性隨著時間的延長呈先升高后下降的趨勢，在第 15～20天時達到最大值（P＜0.05）。紅蓼體內(nèi)SOD活性僅在第5天時高于對照，此后迅速恢復(fù)至對照水平，并在整個試驗時間內(nèi)保持穩(wěn)定（P＞0.05）。

圖4　苯脅迫下4種植物體內(nèi)保護酶的變化Fig. 4　Variations of protective enzymes in the four plants under benzene stress

如圖4B所示，菊芋和紅蓼體內(nèi)POD活性隨著處理時間的延長呈先升高后下降趨勢，且分別在第25天和第15天恢復(fù)至對照水平（P＞0.05）。旋覆花和千屈菜體內(nèi) POD活性則隨著處理時間的延長而先降低后升高，分別在第25天和第15天后高于對照（P＜0.05）。

如圖4C所示，菊芋和紅蓼體內(nèi)CAT活性隨著處理時間的延長呈先升高后下降趨勢，但菊芋的CAT活性在整個試驗期內(nèi)始終顯著高于對照（P＜0.05），而紅蓼的CAT活性僅在第5～10天內(nèi)高于對照，此后便回落至對照水平（P＞0.05）。

2.5　水體中苯對4種植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

如圖5A所示，菊芋和紅蓼葉片水勢隨著處理時間的延長呈先降低后升高的趨勢，在第 5～30天之內(nèi)均低于對照（P＜0.05），且在第20天時均達到最小值。千屈菜葉片水勢則隨著處理時間的延長呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢（P＜0.05）。旋覆花葉片水勢在第5～10天高于對照（P＜0.05），此后呈下降趨勢，第10～30 天內(nèi)均低于對照（P＜0.05）。

如圖5B所示，菊芋、千屈菜和紅蓼體內(nèi)的可溶性蛋白含量隨著處理時間的延長呈現(xiàn)逐漸升高后趨于穩(wěn)定的趨勢。而旋覆花的可溶性蛋白則在第15天內(nèi)低于對照（P＜0.05），此后呈上升趨勢，至第20天后高于對照（P＜0.05）。

如圖 5C所示，菊芋和紅蓼體內(nèi)游離脯氨酸含量隨著時間的延長呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，而第30天時紅蓼的游離脯氨酸含量恢復(fù)至對照水平（P＞0.05），菊芋雖有所下降卻仍高于對照水平（P＜0.05）。千屈菜的游離脯氨酸含量隨著時間延長而逐漸上升。旋覆花的游離脯氨酸含量則在第 10天時顯著下降后逐漸升高（P＜0.05）。

如圖5D所示，菊芋、千屈菜和紅蓼體內(nèi)可溶性糖含量隨著時間的延長呈現(xiàn)逐漸升高并趨于穩(wěn)定的趨勢（P＜0.05），而旋覆花卻呈現(xiàn)先升高后下降再升高的趨勢（P＜0.05）。

2.6　水體中苯對4種植物光合指標的影響

如圖6A所示，4種植物的Pn隨著處理時間的延長呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其中菊芋和旋覆花在第25天時恢復(fù)至對照水平（P＞0.05），紅蓼則在第10天后恢復(fù)至對照水平（P＞0.05），而千屈菜雖然不斷恢復(fù)升高，但第 30天時仍然低于對照水平（P＜0.05）。

如圖6B所示，4種植物的葉綠素含量也隨著處理時間的延長呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其中菊芋和旋覆花在第25天后恢復(fù)至對照水平（P＞0.05），千屈菜則在第30天時恢復(fù)至對照水平（P＞0.05），而紅蓼在第15天即可恢復(fù)至對照水平（P＞0.05）。

圖5　苯脅迫對4種植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化Fig. 5　Variations of osmotic regulators in the four plants under benzene stress

圖6　苯脅迫下4種植物光合指標的變化Fig. 6　Variations of photosynthetic indexes of the four plants under benzene stress

3　討論與結(jié)論

3.1　討論

本研究應(yīng)用4種觀花植物對水體中的苯進行凈化處理，結(jié)果顯示，4種植物對苯具有不同程度的去除效果，按去除能力的大小排序為紅蓼＞菊芋＞旋覆花＞千屈菜。于方磊等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，普生輪藻（Chara vulgaris）、豆瓣菜（Nasturium officinale）和菹草（Potamogeton crispus）對水體中苯的最大去除率分別達到35.26%、69.71%和55.45%。周茜茜等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，72 h內(nèi)金邊吊蘭（Chlorophytum comosum）、常青藤（Hederanepalensis var. sinensis）和綠蘿（Scindapsus aureus）3種植物對熏氣密封倉中不同濃度苯的去除效果均達到 85%以上，且單位葉面積苯的去除率大小順序為常青藤＞金邊吊蘭＞綠蘿。王彥靖等（2014）研究了白鶴芋（Spathiphyllum kochii）等9種室內(nèi)植物對40 μL苯揮發(fā)氣體的吸收效果，結(jié)果表明，24 h內(nèi)9種植物對苯氣體的去除效果大小順序為白鶴芋＞綠蘿＞金邊虎尾蘭（Sansevieria trifasciata）＞蟹爪蘭（Schlumlergera truncate）＞櫻花吊蘭（Mesembryanthemum cordifolium）＞君子蘭（Clivia miniata）＞巴西美人（Dracaena deremensis）＞青蘋果竹芋（Calathea rotundifolia）＞吊蘭（Chlorophytum comosum），其中效果最好的白鶴芋可以達到89.28%。可見，不同植物無論對于水體還是空氣中的苯污染均具有一定去除效果。

苯脅迫對本研究4種植物生長狀況有不同程度的負面影響，且地上部分和地下部分的受影響程度不同。其中，苯對地上部分影響的強弱順序為旋覆花＞千屈菜＞菊芋＞紅蓼；對地下部分影響的強弱順序為旋覆花＞千屈菜＞紅蓼＞菊芋。生物量（干重）是衡量植物體內(nèi)有機物和營養(yǎng)成分積累、光合作用和呼吸作用強弱的重要指標，植物在受到逆境脅迫時，通常其生長會受到干擾，可以用植物的生物量來反映植物對逆境脅迫的抗性（Liu et al.，2008；唐宇力等，2017）。合并計算苯脅迫對 4種植物總生物量的影響，初步判斷4種植物對苯的耐受能力順序為紅蓼＞菊芋＞千屈菜＞旋覆花。

逆境脅迫會加劇植物細胞膜脂過氧化程度，導(dǎo)致其產(chǎn)生過量的MDA，反映細胞受傷害的程度，這一過程和植物體內(nèi)H2O2的積累有關(guān)（蔡殷楠等，1979）。據(jù)報道，青蘋果竹芋、吊蘭、金邊虎尾蘭、巴西美人在苯脅迫下MDA含量增幅較大，耐受性較弱；而櫻花吊蘭則受影響不明顯，耐性較強（王彥靖等，2014）。本研究中，菊芋和紅蓼在第 30天后 MDA含量低于對照，H2O2含量也恢復(fù)至對照水平，耐苯能力較強；旋覆花和千屈菜第30天后 MDA含量仍高于對照，H2O2過量積累，耐苯能力低于前兩者。

植物可以通過提高體內(nèi)保護酶活性來清除自由基，抵御脅迫傷害，但是脅迫過度又會抑制酶的活性（鮑芳等，2007；魯敏等，2017）。本研究中，SOD、POD和CAT作為植物常見的3種保護酶，其活性均受到苯脅迫的影響。其中，菊芋和紅蓼在第30天后可以恢復(fù)至對照水平，反映出植物較強的適應(yīng)恢復(fù)能力；旋覆花和千屈菜則在前5天內(nèi)酶活性受到短暫抑制，此后也可通過提高自身保護酶活性來抵御脅迫危害。按照植物保護酶激活和恢復(fù)的變化規(guī)律，可以判斷4種植物在抵御苯脅迫時酶體系保護能力強弱順序為紅蓼＞菊芋＞千屈菜＞旋覆花。

滲透調(diào)節(jié)同樣是植物提高自身抗逆性的重要途徑（趙化銀等，2009），本研究中，菊芋、千屈菜和紅蓼均可以通過提高體內(nèi)可溶性蛋白、游離脯氨酸和可溶性糖含量來降低滲透勢，防止細胞失水，抵御苯脅迫；而旋覆花則在10 d內(nèi)表現(xiàn)出滲透條件物質(zhì)含量下降，合成受到干擾，需適應(yīng)一段時間后才逐漸恢復(fù)滲透調(diào)節(jié)能力。依據(jù)植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化，推測4種植物通過滲透調(diào)節(jié)來抵御苯脅迫的能力大小為菊芋＞紅蓼＞千屈菜＞旋覆花。

植物的Pn和葉綠素含量是反映植物光合作用能力的重要生理指標，容易受到環(huán)境脅迫的影響而加速分解（陸長梅等，2001）。周茜茜等（2013）研究證實，苯污染可以使得植物體內(nèi)葉綠素含量有所下降，陸長根等（2008）、魯敏等（2016）也報道植物葉綠素含量隨著苯濃度的升高而降低。本研究中，苯脅迫條件下 4種植物體內(nèi)葉綠素含量雖在試驗中間階段有所下降，但30 d后均可以恢復(fù)到對照水平，體現(xiàn)出植物對脅迫的適應(yīng)和光合能力的恢復(fù)。同樣，Pn也隨著時間的延長呈現(xiàn)逐漸恢復(fù)的趨勢。根據(jù)苯脅迫對植物光合作用影響的大小，可以判斷植物在苯脅迫下保持和恢復(fù)光合作用能力的大小順序為紅蓼＞菊芋＞旋覆花＞千屈菜。

3.2　結(jié)論

本研究以菊芋、旋覆花、千屈菜和紅蓼4種觀花植物為修復(fù)材料，對其去除水體中苯的效果及生長狀況進行了測定，證明雖然苯脅迫使得植物體生物量的增長有所降低，但4種植物均具有明顯的去苯效果，按去除效果大小排序為紅蓼＞菊芋＞旋覆花＞千屈菜。

保護酶體系和滲透調(diào)節(jié)在植物抵御苯的脅迫中均起到積極作用，保證植物可以恢復(fù)正常的葉綠素水平、光合能力，防止細胞因膜質(zhì)過氧化程度加劇而受到傷害。

綜上，4種觀花植物可以作為植物修復(fù)材料凈化水體中的苯污染物，且植物能保持良好的生長狀況，可以作為含苯污水河的河道綠化植物材料，在現(xiàn)代城市污水綜合治理及美化河道景觀中具有應(yīng)用潛力。

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