植物提取液中甲醛脱氢酶的活性及其评价方法∗

杨玉霞，梁含笑，苏玉红

(新疆大学化学化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

“室内空气污染”已成为继大气、水体、固体废弃物、噪声四大污染之后的我国第五大污染[1,2].甲醛是危害人体健康的首要室内空气污染物[3].低浓度甲醛对眼睛、皮肤和上呼吸道黏膜具有刺激作用，皮肤直接接触甲醛可引起过敏性皮炎、色斑、皮肤坏死等；吸入高浓度甲醛，可引起鼻咽肿瘤、致癌、致畸等危害[4,5].针对当前严重的室内空气污染问题，人们开发了许多治理技术，主要有纤维过滤、膜分离净化、活性炭吸附、静电补集、光催化分解、低温等离子体分解和臭氧灭菌消毒等，但这些方法在清除室内甲醛污染物的同时存在成本高、装置复杂、治标不治本、伴生新的污染物等缺点[6−12].与这些技术相比，植物净化技术具有成本低、操作简单、环境破坏性小、能耗低、兼顾景观修饰性和封闭空间内气候调节能力等优点，因而一经提出即受到了民众的热烈支持和广泛认同[13−15].

甲醛脱氢酶存在于绝大多数原核生物以及所有的真核生物中，是一种将甲醛进行转换的氧化还原酶[16,17].文献调研结果表明，植物体内的甲醛脱氢酶在净化甲醛的机理中占据重要地位[18,19].但目前对植物体内甲醛脱氢酶在甲醛净化中的作用大多源于理论推断或间接推测，缺乏直接实验验证，对其活性大小更是缺乏有效的评价手段.鉴于此，本文以常见野生植物（蒲公英）和室内花卉（芦荟、绿萝、牡丹吊兰）为植物材料，采用加热失活的方式去除植物提取液中甲醛脱氢酶的活性，进而通过新鲜提取液和失活提取液中加入甲醛前后甲醛含量的差值，计算净化实验中不同条件下植物提取液（新鲜或失活）对外加甲醛的净化能力，对比植物新鲜提取液和失活提取液对外加甲醛净化能力差异的方式，初步建立了一种用于验证和定量估算植物体内甲醛脱氢酶存在及活性大小的简易、快速、粗略评价方法.研究结果可为建立深入理解甲醛在植物体内的净化机制、建立简便快速的高效净化植物筛选技术提供一定科学依据和技术支持.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试剂：乙酰丙酮（北京市百灵威化学有限公司）、冰乙酸（天津市百世化工有限公司）、乙酸铵（天津市致远化学试剂有限公司）、甲醛（天津市百世化工有限公司）、磷酸二氢钾（天津永晟精细化工有限公司）、磷酸氢二钾（天津永晟精细化工有限公司），实验所用试剂均为国产分析纯试剂.

植物材料：植物幼苗在未受污染的乌鲁木齐市采集或购买，仔细地与土壤分离，用去离子水彻底冲洗，选择8∼10片叶子的均匀苗(叶片大小决定)进行实验.

1.2 仪器与设备

T6新世纪紫外分光光度（北京普析通用仪器有限责任公司）、HH-WL恒温水浴锅（江苏省金坛市医疗仪器厂）、BSA224S电子天平（赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）、TDL-50电动离心机（江苏金坛仪器厂）、自制玻璃箱（50 cm×30 cm×34 cm），其顶部可以自由打开.

1.3 实验方法

甲醛溶液的测定方法：参照中华人民共和国国家环境保护标准HJ601-2011.

植物提取液的制备：将植物叶片称重后在低温保护下加入20 mL磷酸盐缓冲溶液（pH=7.8）为提取剂，研磨、提取、混匀、离心（0∼4℃、15 min、4 000 r/min），一份提取液置于0∼4℃冰箱中短时间保存、待用，另一份提取液在100℃水浴中加热10 min后冷却.

植物的净化效率：在玻璃密封箱进行甲醛的植物叶熏蒸实验[14].

1.4 数据计算与处理

1.4.1 甲醛脱氢酶活性的计算方法

R1=（C0−C1）×5 mL×提取液的总体积/鲜重(mg·kg−1FW）；

R2=（C0−C2）×5 mL×提取液的总体积/鲜重(mg·kg−1FW)；

R=R1−R2(mg·kg−1FW).

R1表示新鲜提取液的净化能力；R2表示新鲜提取液的净化能力；R表示甲醛脱氢酶去除甲醛能力；C0表示植物提取液中外加甲醛后的起始浓度值；C1表示新鲜植物提取液中甲醛最终浓度；C2表示失活植物提取液中甲醛最终浓度.

1.4.2 植物的净化效率

甲醛去除量=（甲醛初始浓度×体积−各时段测定的甲醛浓度×各时段体积）−空白对照；

净化效率=甲醛去除量/吸收时间/植物鲜重；

试验数据通过Origin8.0专业制图与数据分析软件绘图.

2 结果与讨论

2.1 新鲜提取液对外加甲醛的去除作用

蒲公英叶新鲜提取液中甲醛浓度随时间的变化曲线如图1所示.结果表明，当初始浓度为2.78 mg·L−1时，新鲜提取液中甲醛浓度先随着反应时间的增加而迅速降低，3 s后降低到0.57 mg·L−1，随后基本保持平稳，表明新鲜植物提取液中有效成份与甲醛的反应可以快速进行，短时间内（<10 s）即可达到反应平衡.考虑到操作的方便性，在后续实验中新鲜植物提取液与外加甲醛的反应时间均设为60 s.

图1 蒲公英新鲜提取液中甲醛浓度的动态变化曲线Fig 1 The dynamic change curve of formaldehyde concentration in the extract of fresh Dandelion leaves

图2 蒲公英新鲜提取液对外加甲醛的降解能力Fig 2 The degradation ability of fresh extract of Dandelion to external formaldehyde

2.2 新鲜提取液对外加甲醛的去除能力

在新鲜提取液中加入甲醛浓度为18.52 mg·L−1、34.48 mg·L−1、41.67 mg·L−1、71.43 mg·L−1、93.75 mg·L−1、111.11 mg·L−1，反应1 min后，以外加甲醛浓度为横坐标，去除甲醛能力为纵坐标绘制曲线，如图2所示.发现蒲公英新鲜提取液对外加甲醛的去除能力，随着甲醛浓度的增加，蒲公英新鲜提取液去除甲醛能力呈线性增长趋势，曲线方程R=0.0069c+0.0052，相关系数R2= 0.9991.

2.3 失活植物提取液的制备条件优化

将蒲公英新鲜提取液置于100℃的水浴锅中，提取液中内置温度计.当水浴时间为0 min、3 min、7 min、9 min、12 min、16min、20 min、30 min时，读取植物提取液的温度，结果如图3A所示.同时，测定水浴时间不同时提取液中外加甲醛浓度的变化，计算出提取液去除外加甲醛的能力，结果如图3B所示.结果表明，随着水浴时间的增加，提取液温度先迅速增加然后呈现平稳趋势（图3A）；提取液（反应时间均为1 min）去除外加甲醛的能力随水浴时间增加先迅速增加后趋于平衡（图3B）.因此，为了降低生产能耗和设备损耗，提取液的加热失活时间选为10 min.

图3 失活时间的选择Fig 3 Boiling time selection

2.4 失活植物提取液中甲醛浓度的动态变化曲线

蒲公英失活提取液中外加甲醛溶液后，甲醛浓度的动态变化如图4所示.结果表明，蒲公英失活提取液在外加甲醛后，甲醛浓度在极短时间内急剧下降，但由于蒲公英新鲜提取液和失活提取液中外加甲醛的浓度变化差异不大，表明失活提取液中一定存在除酶促作用外的其他去除甲醛机制.由图2和图4可知，加热前后提取液对外加甲醛的去除反应均在60 s内可达平衡，根据反应前后的甲醛浓度差值计算出提取液对外加甲醛的去除能力；再根据加热前后去除能力的差异推算出新鲜提取液中甲醛脱氢酶的活性及其大小.

2.5 新鲜提取液中甲醛脱氢酶的活性评价

在芦荟、绿萝、牡丹吊兰叶新鲜和失活提取液中加入甲醛溶液后，甲醛浓度的动态变化如图5-7所示.三种植物叶新鲜和失活提取液对空气中甲醛净化效率如表1如示.加热前后芦荟叶提取液对外加甲醛的去除能力并未显著减少，表明本文建立的甲醛脱氢酶活性评价方法的系统误差较小，具有较好的准确性.

图4 失活蒲公英提取液中甲醛浓度的动态变化曲线Fig 4 Dynamic change curve of formaldehyde concentration in boiling Dandelion extracts

图5 芦荟提取液中甲醛浓度的动态变化曲线Fig 5 Dynamic change curve of formaldehyde concentration in extracts of Aloe leaves

当反应条件相同时，两种提取液对外加甲醛去除能力的差异主要由甲醛脱氢酶活性大小决定.由表1和图5-7可知，芦荟叶提取液中甲醛脱氢酶活性极低，对植物净化甲醛的贡献可忽略不计；而牡丹吊兰叶提取液中甲醛脱氢酶活性较高，其对外加甲醛的去除作用由酶促反应主导；绿萝叶提取液中甲醛脱氢酶活性居于前两者之间.即三种植物新鲜提取液中甲醛脱氢酶活性大小依次为：牡丹吊兰>绿萝>芦荟.

图6 绿萝提取液中甲醛浓度的动态变化曲线Fig 6 Dynamic change curve of formaldehyde concentration in extracts of Scindapsus aureus leaves

图7 牡丹吊兰提取液中甲醛浓度的动态变化曲线Fig 7 Dynamic change curve of formaldehyde concentration in extract of Aptenia cordifolia leaves

2.6 空气中甲醛的植物净化效率

初步验证新建立的评价方法的有效性和可靠性，通过蒲公英、芦荟、绿萝、牡丹吊兰的甲醛熏蒸实验，并探讨了植物中甲醛脱氢酶活性大小对甲醛净化效率的影响，结果如表1.当空气中甲醛浓度为0.72 mg·m−3时，24 h内三种植物对空气中甲醛的净化效率依次为：牡丹吊兰>绿萝>芦荟>蒲公英，与文献报道一致[20−22]，也与2.5所述的甲醛脱氢酶活性顺序一致，表明甲醛脱氢酶是影响植物净化空气中甲醛的重要因素.本文建立的植物中甲醛脱氢酶活性大小评价方法简单、快速、有效，评价结果可为粗略筛选空气中甲醛高效净化植物提供理论依据.

表1 植物对甲醛的净化效率和甲醛脱氢酶活性Tab 1 Purification efficiency of formaldehyde in air and formaldehyde dehydrogenase activity

3 结论

(1)本文建立了一种验证和评价植物提取液中甲醛脱氢酶活性的方法.该方法简单、快速、有效，评价结果可用于初步筛选空气中甲醛的高效净化植物.

(2)实验条件下，蒲公英、芦荟、绿萝、牡丹吊兰对空气中甲醛的净化效率在8.81∼29.35 mg·h−1·kg−1FW之间，大小依次为：牡丹吊兰＞绿萝＞芦荟＞蒲公英.

(3)酶促反应是植物去除体内甲醛的一种重要作用机制.