受自然腐殖化启发的生物酶催化驱动水培根区脱污与碳封存

《Journal of Hazardous Materials》：Natural humification-inspired bioenzymatic catalysis drives hydroponic root-zone decontamination and carbon sequestration

　　

摘要

内分泌干扰物沿食物链生物富集，损害野生动物的生殖功能，并增加人类的慢性疾病风险。受天然腐殖化启发的生物酶催化（NH-IBC）可中断污染物从作物向更高营养级的传递，但其在水培根际脱毒和碳封存方面的有效性尚缺乏充分表征。本文证明，NH-IBC增强了黑麦草（Lolium perenne L.）水培根际中溶解有机碳的聚合与腐殖化过程，使双酚A（BPA，一种模型内分泌干扰物）的消解动力学常数较缺乏生物酶对照提高了17.3倍。其机理在于，NH-IBC产生了反应性自由基中间体，促进了根系分泌物（酚酸、氨基酸）与BPA的共聚，通过稳定的共价偶联形成不溶于水、高分子量的聚合物。这种高效的聚合过程结合碳封存，降低了BPA的植物毒性，并促进了黑麦草根细胞的增殖与伸长。质量平衡和¹⁴C环标记BPA分析证实，NH-IBC减少了BPA在黑麦草中的吸收与亚细胞分布。疏水性BPA低聚物和高聚物主要积累在根表皮和皮层组织中，限制了其向内皮层和可食用地上部分的转运。我们的发现提出了一种受天然腐殖化启发的生物催化框架，用于修复污染物污染并封存碳，推动农业生态系统的可持续发展，并改善作物及动物源性食品安全。

引言

农业食品安全已引起全球关注，尤其由于作物和动物产品消费量的增加，内分泌干扰物造成的食品污染问题日益严重[29]。双酚A（BPA）作为一种模型内分泌干扰物，对植物、动物和人类的代谢过程产生严重的不良影响[5]。其在食品级容器、饮料包装和消费品中的广泛使用，导致其在农业和畜牧系统中的普遍暴露[13]。在这些系统中，BPA主要通过将未经处理的人畜粪便和污水灌溉作为肥料施用于农田而进入农业生态系统[11]、[25]。一旦引入，BPA会被牧草迅速吸收和生物富集，随后通过食物链传递给动物和人类，危害农业生态系统可持续性和公共健康[16]、[20]。尽管中国卫生部于2011年禁止使用聚碳酸酯婴儿奶瓶和含BPA的婴幼儿食品容器[7]，BPA残留仍然污染着饲用作物、畜产品以及人体血清[31]、[9]。因此，减少BPA在饲用作物中的生物富集和转运，对于保障植物、动物和人类健康免受内分泌干扰风险至关重要。

根际区域是污染物进入饲用作物的关键门户，促进植物根系对其的吸收、在植物体内的转运以及随后的胞内代谢[27]。根系分泌物——富含特殊代谢物——在养分循环、能量通量和根际信号通路中起关键媒介作用，在分子水平上调控植物-环境相互作用（el Zahar [4]）。根际微环境对污染物的修复和碳分配过程有重要调控作用，从而增强植物的生长和发育[28]。由根系分泌物与微生物酶协同驱动的根际脱毒，提供了一种环保、经济且不破坏性的策略，用于去除水-土-植物系统中的有机污染物[17]、[3]。然而，精细调控这些根际过程以减少作物污染并确保食品安全仍是一项重大挑战。

受天然腐殖化启发的生物酶催化（NH-IBC）是支持根际健康的核心枢纽。漆酶（EC 1.10.3.2）是一种主要由白腐真菌分泌的含铜多酚氧化酶，因其在内分泌干扰物污染生物修复方面的卓越效能而备受关注[11]、[33]。例如，来自Trametes hirsuta的漆酶可催化BPA的氧化裂解和聚合[12]、[23]。这些偶联途径协同减轻了BPA的生态毒性影响，体现了NH-IBC在根际系统中的双重功能[12]、[32]。

黑麦草（Lolium perenne L.）以其环境适应性强、易于栽培、牧草产量高、再生能力强、营养价值高和蛋白质含量高而著称，被广泛用作畜牧饲用作物。它还对根际环境中的内分泌干扰物表现出很强的耐受性[10]、[8]。然而，未经处理的牲畜粪便和污水灌溉田地中的BPA极易被黑麦草根系吸收，并通过蒸腾作用转运至可食用的地上组织，从而进入食物链，构成潜在的健康风险。尽管漆酶具有多种功能，但其在推动根际脱毒以减少BPA在黑麦草中吸收和生物富集方面的作用仍鲜有研究。

本研究选用来自Trametes versicolor的高氧化还原电位漆酶作为天然、环保的生物催化剂，利用温室水培系统对黑麦草根际中BPA的消解和聚合进行了系统深入的研究。首先，通过互补分析方法测定根际溶液中的溶解有机碳（DOC）、总有机碳（TOC）、BPA和沉淀聚合物含量，以验证NH-IBC的运行情况。随后，我们表征了NH-IBC对BPA在黑麦草细胞中吸收与消除动力学、生物富集潜力以及亚细胞分配的影响。最后，通过黑麦草种子萌发试验评估了NH-IBC处理后含BPA溶液的植物毒性。该工作流程涵盖了从生物催化剂应用ToEnd-use生态影响的全谱系。我们的发现建立了一个以漆酶为核心的受天然腐殖化启发的生物催化框架，该框架推动水培根际脱毒、增强碳封存，并确保畜牧业食品产品的安全与质量。

章节片段

生化材料

黑麦草种子（Lolium perenne L.）购自中国农业科学院安徽省分院。BPA（C₁₅H₁₆O₂，> 98%）、T. versicolor漆酶（浅棕色，≥ 0.5 U·mg?¹）、HEPES（C₈H₁₈N₂O₄S，≥ 99.5%）、抗坏血酸（C₆H₈O₆，≥ 99%）和聚乙烯吡咯烷酮（(C₆H₉NO)_n，平均分子量40,000）购自中国Sigma-Aldrich公司。均一¹⁴C环标记BPA由美国American Radiolabeled Chemicals Inc.公司提供，比活度为3.7–7.4 GBq·mmol?¹（100–200

NH-IBC调控的根际溶液中DOC的光谱特征

如图S3a所示，在7天培养期内，根际溶液中DOC在275 nm处的紫外-可见吸收逐渐增加，表明根系分泌的酚类化合物持续积累。在NH-IBC激活的水培根际脱毒中，特征性DOC峰值较缺乏生物酶对照显著降低，为酚类化合物的酶促腐殖化及随后形成的

讨论

全球对农业食品污染和安全的关注日益加剧，尤其是关于内分泌干扰物的污染，越来越受到全球消费者的关注[20]。这些污染物沿食物链生物富集，由于其可能引起激素失衡及相关慢性疾病的潜在风险，引发公众健康担忧。在此普遍污染背景下，增强根际系统中的污染物修复和碳封存可以

结论

以BPA为代表的内分泌干扰物是饲用作物中普遍存在的污染物，对农业生态系统可持续性构成严重威胁。与依赖生物降解和矿化的传统方法不同，NH-IBC驱动的水培根际聚合和腐殖化代表了一种新模式，即将小分子有机物组装为高分子量、可沉淀的聚合物。该过程不仅减轻了有机污染，还有助于减少CO₂排放。本文，

可获得的支撑信息

补充实验细节包括：黑麦草幼苗根系分泌物的收集（文本S1）、BPA在黑麦草细胞区室中的亚细胞分配（文本S2）、¹⁴C-BPA及其衍生物的定量测定（文本S3）、萌发指数试验（文本S4）、漆酶活性测定（文本S5）、沉淀聚合物的收集（文本S6）、HPLC和HRMS测定（文本S7）；BPA在黑麦草幼苗中的植物毒性与LD₅₀评价（图S1）；七种

未引用的参考文献

[17]

CRediT作者贡献声明

李瞬耀：写作——审阅与编辑。余佳霖：写作——审阅与编辑。刘春霞：调查研究。宋孟可：写作——审阅与编辑，经费获取。牛子岩：调查研究。尹倩：调查研究。孙凯：写作——审阅与编辑，写作——初稿，监督指导，方法学，调查研究，经费获取，形式分析，概念化。马昭：写作——审阅与编辑，经费获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金委员会（42277019; 42377209; 42430703）、中国安徽省自然科学基金-优秀青年基金项目（2308085Y28）、亚太全球变化研究网络项目（CRRP2025-06MY-He）以及宁波市科技计划（2023A-377-G）资助。

意义声明

内分泌干扰物是饲用作物中广泛存在的污染物，对农业生态系统可持续性构成重大威胁。与

牛子岩|尹倩|刘春霞|宋孟可|李瞬耀|余佳霖|马昭|孙凯

安徽农业大学资源与环境学院，合肥，230036，中国