植物修复在抗生素污染治理中的应用研究进展
2022-03-04黄伟杰刘学智唐红亮汪义杰陈军
黄伟杰, 刘学智, 唐红亮, 汪义杰, 陈军
植物修复在抗生素污染治理中的应用研究进展
黄伟杰, 刘学智, 唐红亮, 汪义杰, 陈军*
水利部珠江水利委员会珠江水利科学研究院, 水利部珠江河口治理与保护重点实验室, 广东省河湖生命健康工程研究中心, 广州 510611
抗生素的环境污染问题日益严峻, 如何对抗生素污染的水体和土壤进行有效的原位处理已然成为亟待解决的问题。植物修复是具有处理成本低、二次污染可控、易于后续处理、不破坏土壤和河流生态环境等优势的绿色、原位修复技术, 已被证明是可用于抗生素污染治理的处理技术之一。因此, 通过文献搜索和总结分析, 作者们对植物修复在抗生素污染治理中的应用研究以及植物对抗生素污染可能的修复机理进行了综述, 并对抗生素污染的植物修复研究也进行了展望。
抗生素; 植物修复; 原位处理; 污染治理; 修复机理
0 前言
抗生素是指由细菌、真菌以及放线菌属等微生物或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物。在广义上, 抗生素是一类具有抑菌或杀菌作用的化学物质, 其来源可分为天然、半人工合成和人工合成。目前已经被发现或合成的抗生素已达上万种之多, 其作用从最初被熟知的抗细菌, 到现在的具有抗肿瘤、抗原虫、抗病毒、抗真菌、抗藻类、抗寄生虫等。作为广谱抗菌药物的抗生素物质广泛应用于人类和动物感染性疾病的治疗, 并且常作为动物的生长促进剂添加在饲料中以达到促进动物生长发育的目的[1-4]。研究表明, 使用后的抗生素并不能完全被有机体吸收或代谢, 高达75%—90%的抗生素会随着尿液或粪便排出体外, 以母体或者代谢产物的形式进入环境中[5]。根据市场上抗生素的销售数据可以推断出, 我国已经成为抗生素生产量和使用量最大的国家[6]; 仅2013年, 我国抗生素产量就达到了24.8万吨, 使用量达16.2万吨, 其中人用抗生素占总量的48%, 兽用抗生素为52%[7]。张芊芊等人的研究结果指出, 36种目标抗生素经代谢后排泄出的总量为5.40万吨(2013年), 由于污水处理厂等处理设施对抗生素的不完全去除, 目标抗生素排入环境的总量为5.38万吨, 其中有46%通过废水排放进入水环境中, 其余54%则通过污水灌溉和粪便归田进入土壤环境中[7-8]。大量的研究者对不同环境介质中的多种抗生素残留现状进行了报道, 例如城市污水处理厂, 养殖场, 河流和沉积物, 经污水灌溉的农田, 甚至于地下水中也有相关的报道[8-13]。残留在环境中的抗生素会引起水环境污染、加速耐药基因传播等生态风险, 以及通过生物富集和生物放大作用对人类健康具有致癌、致畸和影响生殖功能等危害[4, 14-17]。同时, 由于频繁使用抗生素以及环境中残留的大量抗生素带来的细菌耐药性引起了大众对于细菌耐药率增长以及抗生素耐药细菌和抗性基因传播的担忧[6-7, 18]。如何有效去除抗生素, 降低抗生素污染带来的危害, 已成为亟待解决的问题。
1 植物修复技术简介
植物修复是利用植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用, 同时结合相关根际微生物的降解作用, 以达到吸收、去除、挥发或稳定原本存在于土壤/沉积物、水环境甚至是大气中的具有毒害作用的污染物的目的, 并使其无害化的一种修复技术[19]。自20世纪90年代植物修复的概念被Chaney提出后, 植物修复技术逐渐成为环境污染治理领域的一个前沿性研究课题[20-21]。用于修复污染物的植物主要通过以下方式促进污染物的无害化: (1)改变受污染土壤/水的理化性质; (2)释放根系分泌物, 从而增加有机碳; (3)通过直接向根系区域释放氧气改善通气; (4)截留污染物或延缓污染物质的移动; (5)影响难降解化学物质的微生物共代谢和植物酶转化; (6)通过有效水分的吸收和水力梯度的逆转, 减少污染物向地下水的垂直和横向迁移[22]。根据污染物无害化过程的途径, 植物修复技术主要有以下五种修复手段: (1)植物提取修复(phytoextraction), 即利用其根系吸收土壤/水中的有毒有害物质并运移至植物地上组织, 通过收割植物地上组织从而带走土壤中污染物的一种方法; (2)植物挥发修复(phytovolatilization), 即通过植物蒸发作用将挥发性化合物或者新陈代谢产物释放到大气中的过程; (3)植物固定修复(phytostabilisation), 即利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的污染物转化为相对无害物质的一种方法; (4)植物转化修复(phytotransformation), 也称植物降解(phytodegradation), 指通过植物体内的新陈代谢作用将吸收的污染物进行降解的过程; (5)根圈降解修复技术(rhizosphere bioremediation), 利用植物根际创造的特殊环境而成为优势菌种的微生物对污染物进行降解的过程[21, 23]。由于将污染物从土壤或水环境转移到大气中需要的条件苛刻, 且这种方法将污染物转移到大气中, 对人类和生物的潜在风险依然存在; 而固定污染物则并没有彻底解决环境污染问题, 所以植物挥发修复和植物固定修复均不是理想的修复手段[24]。因此, 研究学者们主要针对植物的提取修复、转化修复和根圈降解修复这三个过程进行了大量的研究。目前, 植物修复已被证明可以运用在包括无机污染物(重金属和放射性核素等)和有机污染物(石油烃、多环芳烃类污染物、农药、杀虫剂、多氯联苯和抗生素等)等多种类污染物的无害化处理[19, 21, 25-27]。
相比于传统物理、化学的土壤修复技术和水处理方法, 植物修复技术是具有处理成本低、二次污染可控、吸收污染物的植物易于后续处理、不破坏土壤和河流生态环境等优势的绿色、原位修复技术[27]。残留在土壤和水环境中的抗生素的光解和水解作用效果相对有限且过程漫长, 相比于植物修复和微生物修复有着明显的不足。因此, 利用植物修复技术解决抗生素的环境污染问题成为一个可行的选择。然而, 目前关于植物修复在抗生素污染治理中的应用研究比较薄弱, 植物对抗生素的修复机理尚不清楚。本文主要综述了植物修复在抗生素污染治理中的应用研究, 讨论了植物对抗生素可能的修复机理, 并提出了未来的研究展望。
2 植物修复在抗生素污染治理中的应用研究
根据知网及Web of Science的相关检索, 关于植物修复在抗生素污染治理中的应用研究的基本信息见表1。最早研究植物修复抗生素污染的文献报道出现在2005年, 由Gujarathi等人研究了向日葵、大聚藻和大薸在水培条件下修复四环素和氧四环素污染的可行性, 结果显示修复效率大于95%[36-37]。此后, 国内外陆续开展了各种植物修复抗生素污染水体或土壤的研究。值得一提的是, 在已有的植物修复抗生素污染的研究中, 基本上都得到了积极的结果, 即所选取的植物对抗生素污染的水体或土壤均表现出不同程度的修复功能, 为植物修复技术在抗生素污染治理领域的应用研究提供了参考。目前, 关于植物对抗生素富集能力的研究较少, 主要报道了个别抗生素在植物体内的富集量, 无法全面反映植物对环境中多抗生素污染的富集能力和修复能力(表1)。若能对植物不同组织中富集的抗生素及其代谢产物进行相关分析, 则可以更加深入的探讨植物对抗生素的吸收、转运和代谢机制。因此, 有必要加强植物不同组织中多种类抗生素的提取和检测方法的开发, 为植物对抗生素的富集能力及富集机理研究提供强有力的手段。现阶段关于植物修复的相关研究以水培实验为主, 土培实验较少(表1)。目前, 所有关于植物修复抗生素污染的研究均是在实验室内可控条件下进行的, 并且基本上以单个抗生素为目标污染物进行相关的暴露实验。。因此, 尽管植物修复抗生素污染的研究结论是积极的, 依然有必要进行多种抗生素污染的植物修复实验, 以及在野外进行自然条件下的植物修复抗生素污染的相关研究, 以期为抗生素污染环境的植物修复应用提供更为扎实的理论基础和科学依据。
表1 植物修复在抗生素污染治理中的应用研究汇总
续表
3 植物修复抗生素的机理
根据目前植物修复抗生素的研究报道, 以及植物对其他无机或有机污染物的修复过程可以推测, 植物修复抗生素主要是通过植物根系的吸附、吸收、转移和植物分泌物、微生物降解等因素的综合作用, 整个修复过程主要包含以下3个途径: (1)植物根部对抗生素的直接吸附作用; (2)植物根系对抗生素的吸收, 向地上组织进行运输转移以及体内降解; (3)通过根系分泌物和相关微生物对抗生素的降解[54-55]。植物首先通过根系将水体或土壤中的抗生素进行生物吸附; 被吸附的抗生素一部分通过主动运输或被动运输由根部向植物其他组织转移, 最终固定在植物体内或通过植物细胞酶或酶辅助因子的作用下被降解和破坏, 另一部分则在根系分泌物、根际酶以及根际微生物等各方面因素作用下发生降解[19]。
(1)植物对抗生素的吸附作用
植物对抗生素的生物吸附过程可看作被动积累过程, 可能包括离子交换、配位、络合、螯合、吸附和微相沉淀等, 通常情况下的生物吸附过程都包括几种因素的共同作用, 比较难通过相关的实验揭示其机理[55]。虽然植物对抗生素的生物吸附过程是后续的植物吸收转运以及根际微生物降解过程的必要条件, 但较难将其与另外两个过程分割开, 给定量分析带来了非常大的难度。因此, 目前的研究主要集中在植物对抗生素的吸收、转运以及根际微生物的降解方面。
(2)植物对抗生素的吸收、转运及体内降解
根据表1可知, 无论是对四环素类、磺胺类还是喹诺酮类抗生素, 用于修复的植物都可将目标抗生素吸收并转运; 但根部组织中的抗生素浓度都远远高于地上部分组织(茎部、叶部等)中的浓度, 表明植物对抗生素的转运能力比较弱[39-40, 42-44, 54]。甚至在利用金鱼藻和香根草进行喹诺酮类抗生素(环丙沙星和诺氟沙星)的修复实验中, 只在根部检出了目标抗生素, 茎部和叶部中却并未检出, 说明植物对喹诺酮类抗生素是否具有转运能力还有待进一步考察[41]。一般来说, 有机化合物在植物体内主要是通过共质体、胞质和跨膜途径通过膜进行运输, 而这种运输是受化合物的疏水性(或亲脂性, 由辛醇-水分配系数:OW值反映)控制[44]。研究发现, 1.0
另外, 抗生素被证明是对植物, 如斑豆, 具有一定的毒害作用的有机污染物; 但同时, 部分植物, 如玉米, 对抗生素也具有相应的解毒机制[57]。同样的, 用于污染修复的植物--香根草对抗生素也具有潜在的解毒途径, 对目标抗生素表现出了较强的耐受性[43]。但是植物对抗生素的耐受性具有一定的耐受范围, 即使是对抗生素具有解毒机制的玉米, 当生长环境中的磺胺嘧啶浓度较高时, 也会引起玉米的死亡[40]。同时, 抗生素在植物体内的降解产物也可能会对植物修复抗生素的效率产生一定的抑制作用。Gujarathi等人发现向日葵、大聚藻和大薸虽然对四环素和氧四环素均具有较好的吸附效果, 但是这些植物对抗生素的去除效率是随着植物生长环境中相关抗生素浓度的增加而降低的, 他们认为可能的原因是抗生素的降解产物会以根系分泌物的形式排出植物体外, 从而抑制植物对剩下抗生素的吸收能力[36-37]。然而, 环境中的抗生素及其降解产物对用于修复的植物的毒性效应和相关的解毒机制还未得到解释, 有必要加强这一方面的研究。
(3)根系微生物对抗生素的降解
在利用植物修复抗生素污染的过程中, 通过植物直接吸收和富集(包括吸附量)抗生素的量较整个修复系统对抗生素的修复量往往是非常少的, 甚至可以忽略不计; 而对抗生素修复量做出最大贡献的是植物根系分泌物和相关微生物对抗生素的降解作用[58]。植物既可以通过其生长过程中根系分泌的大量有机酸和氨基酸等分泌物, 在体外将抗生素降解为毒性更小甚至是无害的小分子物质; 也可以通过相关的根系分泌物和泌氧等生物过程, 为根系微生物提供更加适宜的生存环境促进其生长繁殖, 从而提高微生物对抗生素的降解能力[59-62]。Hoang等人利用卤蕨、红树修复喹诺酮类抗生素(环丙沙星和诺氟沙星)污染的土壤也发现, 修复过程主要是通过植物驱动根系微生物对目标抗生素进行降解, 且修复效率高达到97%以上[44]。另外, 陈军等人通过对湿地植物修复磺胺类抗生素污染水体的研究发现, 根际微生物对磺胺类抗生素去除的贡献量高达90.2%—92.2%, 而水解(7.63%—8.95%)和植物吸收(0.05%—0.17%)两个途径仅为辅助去除途径[53]。同时, 该团队发现, 对喹诺酮类抗生素(环丙沙星和诺氟沙星)污染的水体, 单纯的光降解和生物降解效率都非常低, 而结合植物修复(金鱼藻和香根草)则可以显著提高污水中抗生素污染的修复效率[41]。因此, 根际环境与根际微生物是植物修复抗生素污染的基础, 二者相互补充, 相互促进, 最终达到抗生素的高效修复。植物根际环境是一个极其复杂的微环境, 涉及到植物修复抗生素的多个过程, 且相关的科学问题一直悬而未决。例如, 如何识别直接降解抗生素的目标功能微生物？在抗生素胁迫下根际微生物的种群丰度和多样性变化？植物根系与根际微生物间的相互影响机制？
4 植物修复抗生素污染的研究展望
综上所述, 利用植物进行抗生素污染原位修复或可成为抗生素污染问题的一个绿色解决方案。虽然国内外已有不少利用植物修复抗生素的研究, 但相关的机理问题尚未解释清楚。关于植物修复抗生素污染的未来研究方向, 需要宏观和微观两个方向同时发展。宏观方面, 主要有以下3点内容值得关注: (1)进行高效修复抗生素的植物的筛选; (2)通过相关实验得到最佳抗生素处理效果的修复条件, 包括水体修复和土壤修复等; (3)进行中试、大试实验, 验证植物修复抗生素污染的可行性。而微观方面, 则需要重点解决以下7个问题: (1)植物对抗生素的吸附过程对植物修复抗生素效率的影响机制？(2)抗生素进入植物体的途径(主动运输和被动运输(蒸腾作用和离子扩散)对抗生素进入植物体内的贡献量)？抗生素又是通过何种生物大分子的协同作用进入植物体内？抗生素进入植物体之后运输方式(质外体运输和共质体运输)？(3)抗生素进入植物体内后的累积过程和降解过程？降解产物是否会影响植物修复效率？(4)植物在抗生素胁迫下的生物大分子响应机制(包括毒性效应和解毒机制)？(5)植物根系分泌物和微生物种群丰度、多样性对抗生素的去除、降解作用及其机理？以及抗生素、植物和微生物间的相互影响机制？(6)影响植物修复抗生素效率的关键环境因子？(7)内生菌是植物吸收有机污染物后降解转化等代谢活动的主要参与者, 抗生素胁迫下植物内生菌的群落响机制？如何识别关键功能内生菌并揭示其降解机理？
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Progress on application of phytoremediation in antibiotic pollution control
HUANG Weijie1, LIU Xuezhi1, TANG Hongliang1, WANG Yijie1, CHEN Jun1,*
Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center for Life and Health of River&Lake, Key Laboratory of the Pearl River Estuary Regulation and Protection of Ministry of Water Resources,Pearl River Water Resources Research Institute, Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources, Guangzhou 510611, China
The environmental pollution of antibiotics is becoming more and more serious. How to effectively treat the water and soil polluted by antibiotics in situ has become an urgent problem. Phytoremediation is a green and in-situ remediation technology with the advantages of low treatment cost, controllable secondary pollution, easy to follow-up treatment, no damage to soil and river ecological environment, which has been proved to be one of the treatment technologies for antibiotic pollution control. This paper reviews the studies on the application of antibiotic phytoremediation. The removal efficiencies and their possible remediation mechanisms of antibiotic phytoremediation were mainly discussed.Afterwards, a prospect was proposed in the field ofantibiotic phytoremediation in the future study.
antibiotics; phytoremediation; in-situ remediation; pollution control; remediation mechanisms
10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.025
黄伟杰, 刘学智, 唐红亮, 汪义杰, 陈军. 植物修复在抗生素污染治理中的应用研究进展[J]. 生态科学, 2022, 41(1): 222–229.
HUANG Weijie, WANG Yijie, CHEN Jun. Progress on application of phytoremediation in antibiotic pollution control[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 222–229.
S157.2
A
1008-8873(2022)01-222-08
2021-05-08;
2021-06-19
国家自然科学基金项目(41807453); 广东省自然科学基金项目(2018A0303130152)
黄伟杰(1978—), 男, 湖北孝感人, 硕士, 高级工程师, 主要从事水利科学与水生态修复, E-mail: 307132122@qq.com
陈军, 男, 江西上饶人, 博士, 高级工程师, 主要从水污染处理技术, E-mail: 304153927@qq.com
