对具有潜在超积累能力的蕨类植物白羽扇蕨（Pteris vittata）中汞耐受性和解毒机制的深入研究

《Journal of Hazardous Materials》：Mechanistic Insights into Mercury Tolerance and Detoxification in the Potential Hyperaccumulator Fern Pteris vittata

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摘要

中国蕨（Pteris vittata）被认为是一种有潜力的高汞（Hg）积累植物；然而，对其积累机制、耐受性和解毒机制的了解有限，这阻碍了其在植物修复中的应用。为了解决这些知识空白，我们通过野外调查和盆栽实验研究了P. vittata的耐受性和解毒机制。在废弃的汞矿区，P. vittata表现出强烈的汞积累能力，其根部总汞（THg）浓度可达到163 mg/kg，叶片中为83 mg/kg。亚细胞分布分析显示，汞主要存在于叶片和根部的可溶部分和细胞壁中。透射电子显微镜（TEM）观察发现，暴露于1000 mg/kg HgCl₂的P. vittata组织出现了严重的细胞和超微结构损伤。在HgCl₂压力下，谷胱甘肽（GSH）和马来醛（MDA）含量增加，过氧化物酶（POD）活性以及脯氨酸（Pro）含量先增加后下降。这些结果表明P. vittata激活了抗氧化防御反应来缓解汞引起的应力，但过量的汞暴露可能会压倒这些保护机制，导致氧化失衡。值得注意的是，叶绿素下降早于脯氨酸和POD活性的降低，表明光合系统对汞暴露尤其敏感。X射线吸收近边结构（XANES）分析显示，β-HgS和Hg(SG)₂是根部和叶片中最主要的汞形态，表明无机沉淀和巯基介导的络合是主要的解毒途径。总体而言，这项研究深化了对P. vittata汞耐受性和解毒机制的理解，进一步支持了其在修复受汞污染环境中的潜在应用。

引言

汞（Hg）由于其持久性、长距离大气传输以及可转化为高毒性的甲基汞（MeHg）而被公认为一种全球性的重点污染物。在环境中，汞主要以元素汞（Hg⁰）、离子形式（Hg⁺和Hg²⁺）以及有机形式（如MeHg）存在[1]，[2]，并通过水生和陆地食物链生物放大，对人类和野生动物构成严重的神经毒性风险[3]。2017年生效的《汞公约》代表了减少汞生产、使用和排放的全球性努力[4]，[5]。这一监管框架加剧了对有效、可持续的汞污染土壤修复技术的需求。

尽管历史上主要的汞矿已经关闭，但历史上的汞采矿、矿石加工和工业活动留下的污染仍然成为汞再移动和二次排放的来源[6]，[7]。矿渣是汞的重要储存库，持续释放大量汞，严重提高周围土壤、沉积物和水中的总汞（THg）含量，同时向大气中排放大量气态Hg⁰[7]，[8]。全球典型的汞矿区都报告了极高的汞污染情况，包括中国的万山[7]，[9]、西班牙的阿尔马登[10]、斯洛文尼亚的伊德里亚[11]和意大利的西勒[8]，这些地区的土壤、沉积物和水中的总汞含量以及大气中的Hg⁰浓度远超安全水平。从这些受污染地点再移动的汞通常具有更高的生物可利用性，并可能转化为更具毒性的MeHg[12]，[13]，[14]，[15]。《汞公约》明确要求签约方控制受污染地点的汞排放[16]，强调了有效修复策略的迫切性。

植物修复是一种原位策略，利用植物提取或稳定污染物，为修复重金属污染的土壤提供了一种环境友好且经济高效的替代方法[17]，[18]，[19]。植物提取通过将金属积累在可收获的叶片中来实现永久性去除，而植物稳定则通过吸附、沉淀或络合作用将金属固定在根系或根际环境中，限制金属的迁移和生物可利用性[20]。生长迅速、生物量高且在受污染土壤中不显示毒性症状的植物被认为是耐受物种或超积累植物[21]。耐金属植物和超积累植物具有特定的生理和生化特性，使它们能够积累和解毒高水平的有毒金属[22]，[23]，[24]，[25]。在金属胁迫下，植物通常会出现叶绿素合成受阻、生长受阻以及由于活性氧（ROS）过度积累而导致的氧化还原平衡紊乱[26]。耐受植物可以通过多种策略缓解这些损害，包括激活抗氧化防御系统[27]，[28]、通过细胞壁固定金属离子以及通过肽和有机酸螯合金属离子[29]。

迄今为止，已经报道了几种耐汞植物，其中中国蕨（Pteris vittata在野外和盆栽实验中显示出强烈的汞积累能力[30]，[31]，[32]。由于具有高生物量、快速生长和低维护要求，P. vittata被认为是汞植物修复的有希望的候选植物[33]。然而，P. vittata的汞耐受性和解毒机制仍不完全清楚，特别是汞的化学形态和亚细胞分布，以及这些反应是否随汞暴露水平而变化。这一知识空白阻碍了P. vittata在汞污染场地修复中的实际应用。

为了解决这些知识空白，本研究结合了在汞矿区生长的P. vittata的野外调查和添加HgCl₂的盆栽实验。这种综合设计允许在实际低生物可利用性条件下评估汞的积累情况，并在控制的高生物可利用性暴露条件下进行机制研究。具体目标是：（1）量化P. vittata中的汞积累和转运能力；（2）表征汞胁迫引起的生理反应和亚细胞超微结构变化；（3）利用X射线吸收近边结构（XANES）光谱法阐明植物组织中汞的主要化学形态。本研究的结果将有助于深入了解P. vittata的汞耐受性和解毒途径，从而增强其在汞污染场地修复中的未来应用。

部分摘要

野外调查

本研究选择了中国西南部的八个已关闭的汞矿进行野外调查，其中包括贵州省的五个矿区：万山（WS）、桐仁（TR）、武川（WC）、开阳（KY）和松涛（ST），湖南省的两个矿区：茶田（CT）和新化（XH），以及重庆市的一个矿区：秀山（XS）。选择这些地点是因为它们（1）代表了该地区主要的历史汞矿区；（2）涵盖了不同的污染水平和运营历史；（3）

土壤和P. vittata中的总汞（THg）浓度

研究区域中P. vittata的总汞（THg）浓度范围为0.789至2010 mg/kg，平均为145 ± 258 mg/kg（图2，表S4）。土壤中的总汞浓度大约是全球平均值1.10 mg/kg的132倍[54]，表明对环境和人类健康存在高风险。在八个废弃的矿区，土壤总汞浓度按以下顺序显著不同：ST > WC > TR > WS > XS > KY > XH > CT。

P. vittata根部的总汞浓度范围为0.310至163 mg/kg

P. vittata的汞积累和转运能力

P. vittata在野外和盆栽实验中都表现出显著的汞积累能力。野外调查中，P. vittata的平均迁移因子（TF）为1.47 ± 2.00，最大值为12.7，表明汞在根部和叶片之间的高效转运，从而减轻了P. vittata根部的汞毒性。然而，迁移因子并不能完全代表植物转运汞的能力，因为叶片中的汞也可能主要来自大气中汞的吸收[56]。这一点得到了进一步的支持

结论与环境影响

研究表明，P. vittata表现出强烈的汞积累、转运和耐受性，显示出其在汞污染场地修复中的潜力。该植物通过激活涉及GSH、POD和Pro的抗氧化系统来减轻汞引起的氧化应激。亚细胞分布分析显示，根部的汞主要与细胞壁结合，而叶片中的汞主要分布在可溶部分。野外样本分析进一步确定了β-HgS和

环境影响

废弃矿区的汞污染对生态系统和人类健康构成长期风险，需要有效的修复策略。在野外条件下Pteris vittata中观察到的高总汞（THg）积累（根部高达163 mg/kg，叶片中高达83 mg/kg）表明这种蕨类植物可能是植物提取的理想候选者。该植物通过细胞壁结合β-HgS和液泡隔离Hg(SG)₂来解毒汞，从而固定汞

CRediT作者贡献声明

邱光磊：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、概念化。钱小丽：写作——审稿与编辑、监督、方法论、调查、概念化。许晓航：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、调查、资金获取、概念化。万宏业：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、调查、数据分析、数据管理。贺首阳：验证、资源管理。

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的报告。

我们感谢王建旭博士在XANES测量方面的协助和讨论中的宝贵建议，以及中国科学院高能物理研究所提供的XANES设施和技术支持。这项工作得到了贵州省重大科技项目（黔科合重大[2025] 0041）、贵州省基础研究计划（ZK[2023]Zhongdian018、黔科合平台YWZ [2025]004、黔科合基金[2024]青年

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