水生蕨类满江红修复铬污染水体：对蚕豆生长、生理、遗传及基因表达的影响及潜在应用价值

为解决铬（Cr）污染水体问题，研究人员开展了利用满江红（Azolla pinnata）修复含 Cr (VI) 水体，并探究其对蚕豆（Vicia faba）生长影响的研究。结果表明满江红能有效修复 Cr (VI)，减轻 Cr 对蚕豆生长的抑制，降低遗传损伤等。该研究为 Cr 污染环境修复提供新策略。

　　在当今环境问题日益严峻的时代，重金属污染对生态系统和人类健康构成了巨大威胁。铬（Cr）作为一种常见的重金属污染物，广泛存在于工业废水之中。这些含铬废水一旦排放到环境中，不仅会污染土壤和水体，还能通过食物链在生物体内富集，危害动植物的生长和生存。在植物领域，铬污染会阻碍植物的正常生长发育，干扰其新陈代谢，对种子萌发、形态特征和生化特性都产生不利影响。比如，它会诱导植物产生大量活性氧物种（ROS），如 H₂O₂和 O₂^-，破坏植物细胞内的 DNA、RNA、蛋白质和色素，引发氧化应激反应，打破细胞内氧化还原平衡。此外，铬还能干扰植物的遗传信息传递，影响 DNA 的复制、转录和功能，导致染色体畸变等问题。因此，寻找一种高效、环保的方法来修复铬污染环境迫在眉睫。

在此背景下，来自埃及赫尔 wan 大学（Helwan University）的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们以水生蕨类植物满江红（Azolla pinnata）为研究对象，探究其对铬污染水体的修复能力，以及经其处理后的水对蚕豆生长、生理、细胞遗传学和基因表达的影响。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为铬污染环境的修复提供了新的思路和方法。

研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。在分析水体和植物组织中的铬、钾含量时，使用了微波等离子体原子发射光谱法（MP-AES）。为了评估植物的生理属性，采用了分光光度法来测定光合色素含量、抗氧化酶活性以及总抗氧化能力。在细胞遗传学评估方面，通过对植物根尖细胞进行染色、观察，计算有丝分裂指数（MI）和染色体畸变率。此外，还利用定量实时聚合酶链式反应（qPCR）技术分析相关基因的表达水平。

研究结果主要从以下几个方面展开：

1. Cr (VI) 修复效率：满江红对不同浓度（0.05 - 90 ppm）的 Cr (VI) 具有显著的修复能力，且在低浓度（0.1 ppm）下修复能力最强，可达 70%，随着浓度升高，修复能力逐渐下降，90 ppm 时降至 19.53% 。这表明满江红在低浓度铬污染水体修复中效果显著。
2. 对蚕豆生长参数的影响：研究发现，铬对蚕豆生长具有明显的抑制作用，且在未用满江红处理的情况下更为显著。50 ppm 铬处理时，蚕豆地上部分高度、鲜重和干重分别减少 69.05%、66.29% 和 59.55%，地下部分长度、鲜重和干重分别减少 82.68%、71.5% 和 35.86%。而满江红处理能显著缓解这种抑制，如 50 ppm 铬经满江红处理后，地上部分高度、鲜重和干重的减少幅度分别降至 23.76%、35.77% 和 45.65% ，地下部分也有类似缓解效果。这说明满江红能有效减轻铬对蚕豆生长的负面影响。
3. 对 Cr 和 K 积累的影响：铬主要在蚕豆根部积累，且积累量与施用浓度呈正相关。在 50 ppm 铬处理下，根部和地上部分铬浓度分别高达 52.5 和 8.5 mg Kg^-1 ，且铬的转运因子（TF）较低（小于 1）。满江红处理后，根部和地上部分铬积累量显著降低，分别降至 19.5 mg Kg^-1和 4 mg Kg^-1 ，同时 TF 也进一步降低。在钾（K）含量方面，30 ppm 铬处理时蚕豆体内 K 含量增加，10 ppm 铬经满江红处理后 K 含量降低，50 ppm 铬处理时，无论是否用满江红处理，K 含量均保持稳定。这表明满江红能降低蚕豆对铬的吸收和积累，且对钾含量的影响因铬浓度而异。
4. 对蚕豆生理属性的影响：在光合色素方面，随着灌溉水中铬浓度从 0.05 ppm 增加到 10 ppm，叶绿素 a（Chl a）含量变化不显著，但叶绿素 b（Chl b）含量显著下降；30 和 50 ppm 铬处理时，Chl a 和 Chl b 含量均显著下降，50 ppm 时 Chl a 和 Chl b 含量分别下降 41.65% 和 52.80% 。满江红处理能显著增加 50 ppm 铬处理下 Chl a 和 Chl b 的含量，并使 Chl a/Chl b 比值接近对照组。在抗氧化防御反应方面，随着铬浓度升高，过氧化物酶（POX）活性显著增加，过氧化氢酶（CAT）活性变化不明显，总抗氧化能力（TAC）仅在最高铬浓度时显著升高。满江红处理后，30 和 50 ppm 铬处理下 POX 活性分别降低 24.7% 和 41% ，50 ppm 铬处理下 TAC 显著降低。这说明铬胁迫会影响蚕豆的光合作用和抗氧化防御系统，而满江红处理能在一定程度上缓解这些影响。
5. 对蚕豆细胞遗传学的影响：不同浓度铬处理会改变蚕豆根尖细胞的有丝分裂指数（MI）和染色体畸变率。10 ppm 铬处理时，MI 为（3.6±0.15），总染色体畸变率（TCA）为（2.15±0.12）；50 ppm 铬处理时，MI 变化不大，但 TCA 高达 4.9±0.25 。满江红处理能显著提高 MI，如 10 ppm 铬处理时 MI 可达 6.99±0.25 ，同时降低染色体畸变率，10 和 50 ppm 铬处理下，分裂期染色体畸变率（DCA）分别降低 39.85% 和 25.1% 。这表明满江红能促进细胞分裂，减少铬诱导的染色体损伤。
6. 对蚕豆基因组完整性的影响：通过 ISSR（Inter simple sequence repeats）分析和 DNA 降解实验评估基因组完整性。结果显示，50 ppm 铬处理时，ISSR 图谱发生变化，而满江红处理能维持图谱与对照组相似。DNA 降解实验表明，50 ppm 铬处理会导致 DNA 降解，出现拖尾现象，满江红处理则能消除这种降解，使 DNA 条带与对照组相似。这说明满江红处理有助于维持蚕豆基因组的完整性。
7. 对蚕豆基因表达的影响：铬处理会改变蚕豆中 PM - H⁺-ATPase（S79 基因）和钙依赖蛋白激酶 CDPK5（S80 基因）的表达水平。10 ppm 铬处理显著诱导 PM - H⁺-ATPase 基因表达上调 4 倍，50 ppm 铬处理时表达变化不显著。满江红处理在 10 ppm 铬处理时能进一步增强该基因表达，但幅度小于未用满江红处理的情况；50 ppm 铬处理时，无论是否用满江红处理，该基因表达水平保持稳定。对于 CDPK5 基因，50 ppm 铬处理时表达略有上调，满江红处理在 10 ppm 铬处理时显著诱导其表达，在 50 ppm 铬处理时则使其表达降低。这表明铬胁迫和满江红处理对蚕豆基因表达具有复杂的影响，且因基因和处理浓度而异。

研究结论和讨论部分指出，该研究不仅评估了满江红对铬的修复能力，还从分子、细胞遗传学、生化和生理等多个层面探究了其对蚕豆的影响。使用满江红处理后的铬污染水进行灌溉，能显著缓解铬胁迫对蚕豆营养生长的抑制，这主要通过调节生理机制实现。例如，铬主要在蚕豆根部积累（TF<1），严重影响其生长发育，而满江红处理能减少铬积累，降低氧化应激，增强有丝分裂指数，减少染色体畸变。此外，50 ppm 铬诱导的 DNA 降解能被满江红处理逆转，这表明满江红可能具有 DNA 修复特性。总体而言，该研究表明满江红在铬污染水体修复和保障植物生长方面具有巨大潜力，为环境修复提供了一种新的生态友好方法，有望替代传统化学修复策略，减少相关负面影响。然而，研究人员也指出，仍需进一步研究满江红在实际田间应用的可行性和长期有效性，以及建立安全有效的处理含铬满江红生物质的方案，以降低潜在环境风险。同时，满江红与土壤微生物群落在铬修复中的协同作用也是未来研究的一个重要方向，这将有助于深入理解植物 - 微生物相互作用在重金属胁迫和修复中的机制。