野生型和转基因植物修复TNT的研究进展

连桂云，刘均洪

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛266042）

大规模生产和加工弹药产生的化合物已经造成严重的环境污染，这些化合物在军事射击场、战区、炸药生产地区均可以发现[1］，如 TNT（2，4，6－三硝基甲苯）、RDX（1，3，5－三硝基－1，3，5－三氮杂环己烷，又称环三亚甲基三硝胺、黑索今）和 HMX（1，3，5，7－四硝基－1，3，5，7－四氮杂环辛烷，又称环四亚甲基四硝胺、奥克托今）[2］。土壤中浓度最高的是TNT，达到4000～10 000mg·kg－1，极端情况下甚至达到87 000mg·kg－1[3，4］。TNT 及其转化产物都是有毒的，蚯蚓急性毒性试验表明，其半致死量为143mg·kg－1[5］。TNT被美国环境保护局确认为潜在的致癌物（C类），直接接触，可导致贫血、肝功能紊乱、皮肤刺激或免疫系统的损害[1］。227.13，logKOW（辛醇－水分配系数）为0.87，水溶性为0.15%，难于降解，会在环境中持久存在，对生物产生负面影响。因此，对TNT污染土壤和污染水进行修复十分重要。目前的修复方法主要为焚烧、吸附、化学氧化法，不仅耗时、成本高，而且焚烧法因NOx的排放会造成额外的环境问题，化学氧化法也可能会产生有毒的副产物，因此，其应用受到限制。生物法利用具有潜在修复能力的微生物和植物来清洁环境，是近年来新兴的修复方法。一些细菌可以利用TNT作为氮源，从而产生修复能力，但可能会因为其它有毒的底物失去活性[6］。植物修复是一种利用绿色植物修复TNT土壤污染和水污染的方法，成本低、适应性强，并且其耐受TNT的能力要比微生物强。因此，植物修复TNT土壤污染和水污染的效果更好。

作者在此对植物修复TNT水污染和土壤污染的最新成果进行综述。

1 植物修复TNT的优缺点

植物修复有很多优点，如地区适应性强、成本低、不需要具体的设备、不会再引入新的污染物质、容易被社会接受等。它适用于logKOW＝0.3～3之间的化合物，这些化合物可以进入根内皮层，利于植物吸收。植物修复效率取决于pH值、pKa（电离常数）、有机物含量、植物生理特性、土壤环境－湿度和土壤组成等因素。植物修复也存在缺点：当污染地区TNT浓度过高时，会对植物产生毒性从而抑制植物的修复作用[7］；修复时间长，并且修复作用只能发生在植物的根部。

2 利用野生型植物修复TNT

目前，大多数研究分析了植物对水中TNT的修复情况，发现植物可以在很短的时间内吸收水中大多数的TNT，而对土壤中TNT的植物修复情况研究报道较少。

Best等[8］研究发现，在地下水中，当TNT初始浓度为681μg·L－1（0.003mmol·L－1）时，10d内可以被10种水生植物降解94%～100%。研究表明，当水中TNT初始浓度为0.11mmol·L－1时，Myriophyllum aquaticum 可以在15d内降解全部的TNT[9］。Hughes等[10］研究发现，当水中 TNT 初始浓度为0.44mmol·L－1时，Myriophyllum aquaticum可以在5d内降解全部的TNT；Myriophyllum spicatum在7d内可以完全转化初始浓度为0.35 mmol·L－1的TNT，植物吸收量为1.6mg·g－1，植物密度为50gl·L－1，明显高于Pavlostathis等[11］测得的植物吸收量 （0.29mg·g－1）。Catharanthus roseus是另一种可以在介质中除去TNT的植物，当TNT初始浓度为0.44mmol·L－1时，它可以在5d内降解全部的 TNT[10］。

上述水生植物在实验室条件下可以很好地发挥作用，但是由于地区差异，它们在其它地区可能不能很好地生长。此时，就可以利用沼生植物来修复TNT。Nepovim等[12］研究发现，常见的芦苇（Phragmites australis）、绿色灯芯草（Juncus glaucus）、莎草（Carem gracillis）和香蒲（Typha latifolia）可以在10d内从液体介质中降解接近90%的TNT（初始浓度为0.44mmol·L－1），其中效果最好的是芦苇，它还可以降解污染土壤中98%的TNT。Best等[13］研究发现，菖蒲（Acorus calamus）、草芦（Phalaris arundinacea）和蒯草 （Scirpus cyperinus）可以在7d内从地下水中吸收90%的TNT。

研究人员还研究了在水环境中陆生植物吸附TNT的能力。Adamia等[1］研究了8种植物吸收TNT的能力，发现大豆（Glycine max）吸收TNT的能力最强，吸收量为0.21mg·g－1；鹰嘴豆（Cicer arietinum）和毒麦（Lolium multiflorum）的吸收能力较弱。毒麦可以在72h内将初始浓度为100μmol·L－1的 TNT 降解94.3%。

Makris等[14］研 究 发 现，香 根 草 （Vetiveria zizanioides）可以在8d内将水溶液中初始浓度为0.18 mmol·L－1的TNT全部吸收，植物吸收量为1.03mg·g－1；如果在溶液中加入离液剂（含尿素和硫脲），可以破坏水的结构，增加疏水性化合物TNT的溶解性，从而促进植物对TNT的吸收。实验证明，当加入离液剂时，在30min内TNT可以降解25%；而不加离液剂时，在相同的时间内TNT只降解10%。

香根草消除土壤中TNT也是非常有效的。Das等[15］研究发现，在土壤中TNT初始浓度为40mg·kg－1时，香根草可以在3d内降解97%的TNT；当TNT初始浓度为80mg·kg－1时，3d内降解39%的TNT，12d内降解88%的TNT。在土壤中加入离液剂（0.1%）会促进植物对TNT的吸收，当TNT浓度较高时，这种作用更明显。

Chang等[16］研究了青麻（Abutillon avicennae）对土壤中TNT的修复。当土壤中TNT的初始浓度为120mg·kg－1时，50d后，含青麻土壤中TNT的剩余含量为23.2%，而不含青麻土壤中TNT的剩余含量为48.1%。

植物对TNT的修复研究成果见表1 。

以上研究表明，植物可以吸收环境中的TNT，此外，植物提取物中TNT的缺失表明植物有能力转化TNT。大多数的转化发生在植物的根部，这可以用14C和放射自显影术进行分析[1］。已有很多研究报道，植物降解TNT的第一步产物为4－氨基－2，6－二硝基甲苯（4A26DNT）和2－氨基－4，6－二硝基甲苯（2A46DNT），此外，还检测到很多不明的极性产物[12］；接下来的转化是非生物氧化和氧化偶氮产物的形成；最后一步转化产物大多为单糖或者二糖的共轭产物，它们可以存在于植物的细胞液或细胞壁中[4］。TNT在植物中的转化涉及多种酶，包括硝基还原酶[17］、过氧化物酶、酚氧化酶、葡基转移酶和谷胱甘肽－S－转移酶，这些酶在糖和谷胱甘肽结合形成氨基衍生物的过程中起着非常重要的作用。

3 利用转基因植物修复TNT

植物修复被认为是清洁环境中污染物的有效方法。但是，植物是自养生物，没有有效代谢有机物的酶机制，这就导致植物修复过程缓慢并且不彻底。在过去的几年内，很多研究致力于将植物进行遗传改造，如通过细菌转化法，在植物中引入可以编码代谢TNT的酶（如硝基还原酶、细胞色素P450）的基因，以提高植物吸收和代谢TNT的能力。因此，转基因植物吸收TNT的能力比野生型植物更强[18］。

第一个用于降解TNT的转基因植物是烟草（Nicotiana tabacum），在其中引入了季戊四醇四硝酸酯（PETN）还原酶（从Enterobacter cloacae中分离，Enterobacter cloacae最初来源于含炸药污染物的土壤中），它是硝基还原酶的一种，可以降解硝基酯和含硝基的炸药化合物。转基因烟草在TNT浓度为0.05mmol·L－1时能够发芽生长，而这个浓度足以抑制野生型烟草的生长。有很多其它类型的硝基还原酶可以催化TNT上的硝基成为羟氨基和氨基衍生物。Hannink等[19］进行了转基因烟草表达NfsI硝基还原酶（从Enterobacter cloacae中分离）的相关研究。72h内，转基因烟草可以完全吸收水溶液中初始浓度为0.25mmol·L－1的TNT，而野生型烟草吸收TNT的能力却不明显；转基因烟草可以耐受高浓度的TNT（0.5mmol·L－1），而0.5mmol·L－1的 TNT会导致野生型烟草死亡。Hannink等[20］还发现，TNT转化产物（4－氨基－2，6－二硝基甲苯）与转基因烟草的大分子结合能力要比与野生型烟草的结合能力更强。Travis等[21］研究表明，含硝基还原酶的转基因植物在土壤中对TNT的耐受能力要比野生型的强。有报道称，在应用转基因植物的区域，当TNT浓度高时，植株根部的细菌数量和细菌群落的遗传多样性都有提高。

表1 植物对TNT的修复研究成果Tab.1 Research of phytoremediation of TNT by plants

Strand等[22］比较了转基因烟草和野生型烟草对TNT的吸收能力，发现转基因烟草耐受TNT的能力明显高于野生型烟草；当土壤中TNT浓度大于500 mg·kg－1时，两种烟草都会发育迟缓，导致萎黄病；但含硝基还原酶的转基因烟草的严重程度要低于野生型烟草。当引入NfsI硝基还原酶（从Escherichia coli中分离）到拟南芥 （Arabidopsis thaliana）中时，转基因植株吸收TNT的量是野生型的7～8倍。当TNT浓度达到250mg·kg－1时，转基因拟南芥仍可以生长，而野生型拟南芥在TNT浓度为50mg·kg－1时生长就会受到影响。

另一种转基因植物白杨（Populus tremula xtremuloides var.Etropole）表达了细菌中硝基还原酶基因pnrA，它可以比野生型白杨耐受和吸收更高浓度的TNT。在水中，转基因白杨可以在TNT浓度为57 mg·L－1时生长，而野生型白杨在TNT浓度为11mg·L－1时生长就会受到明显影响。在受污染的土壤中，野生型白杨可以耐受的TNT浓度为500mg·kg－1，而转基因白杨可以耐受的TNT浓度为1000mg·kg－1。为了比较野生型白杨和转基因白杨对TNT的吸 收 能 力，van Dillewijn 等[23］采 用 不 同 浓 度 的TNT进行比较研究。结果表明，在水中，在TNT浓度较低（20mg·L－1和35mg·L－1）的情况下，两种白杨吸收TNT的能力相当；但是当TNT浓度达到50mg·L－1时，含pnrA的转基因白杨降解TNT的速率明显快于野生型白杨；在土壤中，转基因白杨吸收TNT的能力也要明显高于野生型白杨。

4 展望

植物具有修复环境中污染物的能力，环境中的TNT可以被很多植物吸收，吸收率一般在70%～100%。大多数情况下，在植物的根部区域发生一系列的转化反应，TNT的转化产物为单糖或者二糖的共轭产物，它们可以存在于植物的细胞液或细胞壁中。当水或土壤中TNT浓度高时，植物修复TNT的适用性受到限制。对于很多植物，当土壤中TNT浓度达到100～500mg·kg－1时，植物修复就受到限制。因此，植物修复方法只适用于环境中TNT浓度低的情况。

到目前为止，大多数研究都只是在实验室中进行，而缺少植物修复的实际应用。此外，很多用来做实验的植物是农业植物品种，这些植物是不建议用作植物修复的。因此，仍需继续努力寻找具有高TNT吸收能力的植物。

转基因植物可以选择性地降解污染化合物，且其修复能力要比野生型植物更强。转基因植物能耐高浓度TNT、吸收更多量的TNT，并将其有效降解，对含高浓度TNT的水或土壤有更强的适应性。目前，利用转基因植物修复TNT的技术还处于实验室阶段，温室和大田实验还需要进一步研究。

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