加拿大一枝黄花短期锶积累、生理响应与热解行为：对植物修复和生物质管理的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Short-term strontium accumulation, physiological responses, and pyrolysis behavior of Erigeron canadensis L.: Implications for phytoremediation and biomass management

　　• 加拿大飞蓬表现出快速的锶积累和地上部分优先富集特征。• 锶暴露降低了色素含量，并引发了剂量依赖性的抗氧化响应。• FTIR和XPS分析表明含氧官能团保持稳定，且存在与锶相关的表面化学变化。• 锶暴露改变了热解行为，总体提高了最终残炭率。**引言**锶（Sr）污染已成为威胁全球陆地和水生生态系统的重要环境问题。锶是一种碱土金属，主要以二价阳离子Sr2?形式存在，既有稳定同位素也有放射性同位素；??Sr是一种长寿命放射性裂变产物，半衰期为28.9年[1], [2]。由于其与Ca2?具有很强的化学相似性，锶可以通过钙运输途径进入生物系统，在高暴露水平下干扰钙代谢，从而对生态环境和人类健康构成重大风险[3], [4]。福岛第一核电站事故后的野外观察表明，??Sr在土壤中的迁移性远高于13?Cs，具有独特的长期环境风险，凸显了制定针对性修复策略的必要性[5]。在现有的修复技术中，植物修复作为一种经济有效且环境可持续的策略，在处理重金属和放射性核素污染的生态系统方面受到了越来越多的关注。植物修复的有效性很大程度上取决于植物吸收、转运和耐受污染物的能力。因此，了解植物体内锶的吸收、转运和耐受过程是评估其植物修复潜力的基础。既往研究表明，植物对锶的吸收与钙运输系统密切相关，并受pH、养分有效性和土壤组成等环境因素的强烈影响[6], [7], [8]。根际微生物也可能通过改变土壤-根界面的条件来影响金属的生物有效性和植物吸收[9], [10]。一旦被吸收，锶可在植物组织内重新分布，并通常优先转运至地上器官[11]。在细胞水平上，植物细胞壁是抵御胞内金属毒性的重要屏障，其羟基、羧基和氨基等功能基团可能通过离子交换和配位相互作用固定金属离子[12]。植物还可能通过区室化和解毒机制来减轻金属胁迫，包括液泡隔离和合成金属结合配体（如植物螯合素和金属硫蛋白）[6], [13]。然而，过量的锶积累可能破坏代谢过程，诱导氧化胁迫并损害光合作用，从而激活包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等酶在内的抗氧化防御系统[14], [15], [16]。更广泛地说，植物氧化还原稳态是通过活性氧、抗氧化防御系统、植物激素信号转导和代谢重编程之间的协调相互作用来调控的[17]。在此框架下，抗氧化酶活性、脂质过氧化和光合色素的变化共同反映了植物在环境胁迫下的生理状态，可为评估植物耐受性和植物修复潜力提供有用信息。加拿大飞蓬（Erigeron canadensis L.）是一种生长迅速的多年生草本植物，广泛分布于多种环境中，具有高生物量产量和强生态适应性。尽管通常被视为入侵物种，但既往研究表明其对多种重金属具有耐受性和积累能力，包括Cd2?、Pb2?、Zn2?、Cu2?和Cr3?[10], [18], [19]。这些特征表明，加拿大飞蓬可能具有修复锶污染环境的应用潜力。然而，目前仍缺乏关于加拿大飞蓬中锶积累、组织分布、耐受性及其相关生理和结构响应的系统研究。除了去除污染物外，可持续的植物修复还需要对收获的富集污染物生物量进行适当管理。热转化技术，特别是热解，由于能够减少生物量体积并改变无机元素的分布，已成为一种有前景的方法。然而，积累的锶与植物来源的有机基质之间的结合方式，以及相应的生物量热行为变化，目前仍知之甚少。因此，本研究使用稳定锶，在非放射性可控条件下表征锶积累、植物生物量表面化学环境与后续热行为之间的关系[20]。因此，本研究调查了加拿大飞蓬在短期暴露下锶的积累和组织分布情况、相关的生理生化响应，以及在受控锶暴露下生物量表面化学环境和热特性的变化。具体目标为：(i) 阐明锶积累和组织分布的时间模式；(ii) 表征加拿大飞蓬对锶暴露的生理生化响应；(iii) 探究锶富集对植物生物量热解行为和热稳定性的影响。这些分析为理解加拿大飞蓬对锶暴露的早期响应以及进一步评估其植物修复潜力和富锶生物量的收获后管理提供了基础。**实验植物和土壤特性**本研究选用入侵物种加拿大飞蓬作为实验植物。2025年5月10日，从河南农业大学花园（34.79°N, 113.81°E）采集并筛选出根系完整的均匀幼苗。幼苗用去离子水冲洗后，移栽至装有1 kg风干、过筛（10目）表土（0–20 cm深度）的塑料盆（16 cm × 16 cm × 11 cm）中。土壤的理化性质见表1，背景锶……（原文此处截断）**锶胁迫下的生长响应**对生长表型的动态观察表明，加拿大飞蓬对Sr2?胁迫表现出明显的时间和浓度依赖性响应（图1）。暴露一天后，未观察到明显的形态学损伤，但在高锶处理组（5和10 mmol·L?1）中可见轻微黄化现象，表明早期胁迫响应已经开始。到第7天，随着Sr2?浓度增加，可见的胁迫症状变得更加明显。暴露于较低锶浓度的植物表现出……（原文此处截断）**结论**加拿大飞蓬在短期暴露期间表现出显著的锶积累，EDXRF测得的锶相对含量呈现明显的浓度、时间和组织依赖性模式。在早期阶段根系中的锶含量相对较高，而中后期茎和叶中的含量较高。在第7天10 mmol·L?1锶处理下，相对锶含量排序为：叶片 > 茎 > 根。在所测试的较低和中等锶浓度下（≤5 mmol·L?1），植物……（原文此处截断）**CRediT作者贡献声明****毛青：** 撰写——审阅与编辑、监督、经费获取。**彭万喜：** 项目管理、经费获取、概念设计。**顾海平：** 监督、方法学、形式化分析。**陈祥萌：** 监督、软件、资源。**Mortaza Aghbashlo：** 撰写——审阅与编辑、验证。**孟梓辰：** 撰写——原稿、可视化、调查研究、数据管理。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。**致谢**本研究由河南省自然科学基金（资助编号262300422480）资助。作者感谢河南农业大学和德黑兰大学在本项目期间提供的宝贵支持。**生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明**在本工作准备过程中，作者使用ChatGPT改进语言表达和可读性。作者对输出内容进行了仔细审阅和编辑，并对本文的内容承担全部责任。**利益冲突声明**作者声明……（原文此处截断）孟梓辰 | 陈祥萌 | Mortaza Aghbashlo | 彭万喜 | 顾海平 | 毛青