综述：蛋白质在植物修复和真菌修复重金属去除中的作用：聚焦于蛋白质基修复

《International Journal of Phytoremediation》：Role of proteins in phytoremediation and mycoremediation for heavy metal removal: a focus on protein-based remediation

本综述系统阐述了蛋白质（如金属转运蛋白MTs、植物螯合肽PCs）和肽类在植物修复（Phytoremediation）与真菌修复（Mycoremediation）中的核心机制，涵盖生物吸附（Biosorption）、生物积累（Bioaccumulation）和生物转化（Biotransformation）过程，并前瞻性地提出整合合成生物学与纳米生物技术的设计框架，为下一代重金属污染治理提供革新策略。

　　

Abstract

重金属污染是一个全球性问题，由持久性、有毒且具有生物累积性的元素如镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）、铬（Cr）和汞（Hg）引起。与有机污染物不同，这些金属难以生物降解，并在土壤、水体和生物体内累积，构成严重的生态和健康风险。传统的修复技术成本高昂、能耗大且可能产生二次废物，这推动了对可持续替代方案的需求。生物修复，特别是植物修复（Phytoremediation）和真菌修复（Mycoremediation），已成为一种环境友好且成本效益高的策略。近期研究强调了蛋白质和肽类在这些过程中的核心作用。

蛋白质在植物修复中的核心作用

在植物中，一系列专门的蛋白质协同工作以应对重金属胁迫。金属转运蛋白（Metal transporters）负责调控重金属离子从土壤环境进入植物根部的初始摄取。随后，金属硫蛋白（Metallothioneins, MTs）和植物螯合肽（Phytochelatins, PCs）等螯合肽通过其富含半胱氨酸的残基与金属离子结合，形成无毒或低毒性的复合物，从而实现细胞内解毒。此外，一系列氧化还原酶（Redox enzymes），如过氧化物酶和超氧化物歧化酶，在缓解重金属诱导的氧化应激中扮演关键角色。这些蛋白质共同作用，将金属隔离在植物的液泡或细胞壁中，完成其从污染地点的有效去除。

蛋白质在真菌修复中的多功能机制

真菌则利用一套不同的蛋白质策略来应对重金属。其修复过程很大程度上依赖于细胞壁成分，几丁质和黑色素等聚合物上的官能团能够高效地吸附金属离子，这一过程称为生物吸附（Biosorption）。此外，真菌分泌的胞外酶（Extracellular enzymes）和氧化还原活性代谢物（Redox-active metabolites）能够催化金属的价态转变，例如将剧毒的Cr⁶⁺还原为毒性较低的Cr³⁺，实现生物转化（Biotransformation）。某些真菌还能在细胞内积累金属，利用金属硫蛋白类似物和谷胱甘肽进行内部解毒和隔离。

前沿技术与未来方向

蛋白质工程和合成生物学的进步正极大地增强植物和真菌的修复能力。通过设计具有更高金属亲和力和特异性的新型蛋白质，或改造现有通路，可以创造出“超级修复者”，以更高效地靶向和解毒特定金属。整合纳米生物技术（Nanobiotechnology）有望开发出蛋白质-纳米材料复合体系，进一步提升生物吸附容量和效率。组学技术（Omics），包括蛋白质组学（Proteomics）和转录组学（Transcriptomics），驱动着新型修复蛋白的发现，为理解分子机制和识别关键靶点提供了强大工具。

挑战与展望

尽管前景广阔，蛋白质基修复技术迈向实际应用仍面临诸多挑战。环境变量的复杂性，如土壤pH、有机质含量和多种金属共污染，会影响蛋白质的功能和整体修复效率。将实验室成果放大到田间规模（Scalability）的可行性需要进一步验证。此外，公众接受度和监管框架（Regulatory acceptance）也是该技术成功部署的关键因素。未来的研究应致力于开发基于设计的框架，通过多学科方法将重金属清理转化为可预测、可编程且适用于实地的技术。