含雙酚A廢水植物修復技術研究進展

王琳隋春曉，王晉

（1. 中國海洋大學環境科學與工程學院，青島 266100；2. 中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，青島 266100）

含雙酚A廢水植物修復技術研究進展

王琳1隋春曉1，2王晉2

（1. 中國海洋大學環境科學與工程學院，青島 266100；2. 中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，青島 266100）

雙酚A作為一種重要的生產原料，近幾十年，在環境中的含量劇增。雙酚A是一種內分泌干擾激素類物質，環境激素類物質能夠模擬、強化和抑制激素作用，在某些情況下，引發組織或者器官增生和腫瘤。植物修復技術是近年來發展起來的一種環境污染修復技術，是生物修復領域的一個熱點。在閱讀大量文獻的基礎上，對修復雙酚A植物的篩選進行了概括，從植物糖基化修飾效應、根系分泌酶催化降解、植物根際與微生物聯合代謝作用三個方面闡述植物修復雙酚A的主要機理，對國內外近年來植物修復技術在含雙酚A廢水修復中的應用、研究成果進行了綜述，并對今后的該領域的研究進行了展望，旨在為雙酚A廢水的植物修復技術提供參考和借鑒。

雙酚A；植物修復；修復機理

雙酚A［BPA，2，2-二（4-羥基苯基）丙烷］，是一種內分泌干擾化合物。近年來，由于雙酚A廣泛應用于食品飲料包裝、抗氧化劑、橡膠制品、塑料、紙質涂料、建筑材料、農藥、丙烯酸酯及環氧樹脂類等的生產中，環境中雙酚A的含量劇增，從而引起人們的廣泛關注［1-5］。雙酚A會對動物的生長發育、神經和免疫系統以及生育能力產生毒害作用，同時能夠增加人類乳腺癌的發病率。研究表明，大鼠口服LD50（半致死量）為3 250 mg BPA/kg體重［6］，小鼠口服LD50為2 400 mg BPA/kg體重［7］，人類安全攝入量為每天50 μg BPA/kg體重［8］。

含雙酚A廢水的處理方法很多，多為物理化學方法，成本高、效果不理想，而植物修復技術，成本低、處理效果好，且具有很好的環境生態效益。

植物修復技術在農業和人工濕地中的應用比較多，利用植物根莖葉對污染物的積累和富集作用，以及根際微環境區域，植物-微生物-土壤的相互作用達到去除污染物的目的。已有許多學者對植物修復廢水中雙酚A進行嘗試和研究。本文主要對含雙酚A廢水植物修復技術的研究進展進行綜述，旨在為雙酚A廢水的植物修復技術研究提供參考。

1 含雙酚A廢水修復植物篩選

植物修復中篩選出對特定污染物具有較強耐受性和富集作用，且對污染物有較高去除效率的植物至關重要。目前，普遍認為修復植物的篩選應從以下兩個方面考慮：植物的適應能力和生理特性；植物的耐污和去污能力。例如，根系發達、根系表面積大，能夠為微生物提供較多的生存空間，有助于根系向土壤和廢水中伸展，能夠分泌特異酶系催化降解特定污染物。除此之外，植物的生長速率、根系活力、葉綠素數量、保水能力等生理指標也可作為植物篩選的條件。其中單子葉植物分枝頂生根很精細，覆蓋面積大，根際分泌多種特異性酶系，如過氧化物酶、酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶等，所以單子葉植物要比雙子葉植物的耐污去污能力強，污染物的降解速率也大［9］。因此，單子葉植物在廢水和污染土壤的修復中，特別是特定污染物的修復應用較廣泛。

Loffredo等［10］研究多種草本植物對BPA的去除效果，檢測各個植物根際微生物降解和根際酶活性發現，5種牧草的根際酶活性要稍高于幾個園藝草本植物，但根際微生物會對根際酶活性產生抑制作用；Ferrara等［11］研究了在不同BPA濃度下，4種作物對BPA的去除效率，培養6 d后，BPA對幼苗的發芽和生長沒有產生抑制作用，只有番茄在高濃度BPA的培養下，根系長度減小，在培養21 d后，幼苗的形態發生異常，其根和芽的長度、鮮重和干重都明顯減少；Lu等［12］培養番茄和萵苣兩種作物，一段時間后發現BPA在番茄果實中的含量分別為26.6±5.8 μg/kg（根際澆灌），18.3±3.5 μg/kg（葉面噴灑），而萵苣葉片中BPA含量分別為80.6±23.1 μg/kg（根際澆灌）和128.9±17.4 μg/kg（葉面噴灑），說明萵苣對BPA的轉運富集能力要大于番茄。Qiu等［13］，研究不同濃度BPA對大豆幼苗生長、光合作用、葉綠素含量的影響，濃度為1.5 mg/L時，幼苗的高度、莖葉的鮮重、干重等生長指數都明顯增大，濃度（7、12、17.2和50 mg/L）較高時，凈光合速率和葉綠素含量顯著下降。通過篩選出對雙酚A具有較高的耐受性和較強的富集能力植物，才能有效提高植物的修復效率。

2 植物修復機理

2.1 糖基化修飾效應

糖基化修飾效應普遍存在于植物體內。通過糖基轉移酶催化反應，將各種植物內源、外源物質作為受體分子，如：蛋白、核酸、寡糖、脂和小分子等，并與活化的糖連接，形成糖苷鍵。糖基化修飾的產物種類很多，有糖蛋白、糖脂以及多種小分子糖苷和糖酯類化合物。經糖基化作用，能改變這些分子的生物活性、水溶性、穩定性、在細胞內和整體植株中的運輸特性、亞細胞定位，以及與信號受體的相互識別和結合特性，還能降低或去除內源和外源物質的毒性［14，15］。因此，糖基化在植物體內具有保護植物體以及減緩生物和非生物因素對植物體的影響的作用［16］。大量研究表明，植物可通過直接吸收廢水中的雙酚A，在植物體內經過糖基化修飾，將BPA轉化為低毒甚至無毒的中間產物，從而減少植物組織中濃度以及降低BPA的毒性［17-21］。

Hamada等［17］通過培養桉樹細胞觀察BPA的生物轉化過程發現，3種新型BPA區域選擇性羥基化和糖基化產物；Nakajima等［18］研究發現，BPA在煙草植株中代謝為α-葡萄糖苷，由根部吸收轉移至葉片；Schmidt等［20］加入不同濃度的BPA培養大豆、小麥、毛地黃和刺蘋果4種植物的細胞，一段時間后發現，BPA的濃度顯著下降，培養基和細胞中檢測出了大量BPA的糖苷綴合物，這是BPA去除的主要途徑；Loffredo等［10］在研究多種草本植物對BPA的去除效果時發現，BPA被糖基化，并轉化為極性化合物。

2.2 根系分泌酶的催化降解

通常情況下，植物對有機物的吸收強度要低于對無機物的吸收強度。植物對有機物的修復，主要是通過植物根系釋放酶的催化降解以及多種根系分泌物對有機物產生的絡合、降解等作用實現。這些酶系通過氧化和水解作用將有機物降解為低分子量的無機化合物，如CO2、H2O等，或者分解為無毒或低毒的中間產物。這些酶系包括脫鹵酶、硝酸還原酶、過氧化物酶、脫氫酶、過氧化氫酶、漆酶、腈水解酶等多種酶系。植物死亡后，這些酶系仍然可以留在土壤中繼續發揮作用，降解有機污染物［9，22］。植物在外環境改變的情況下，會釋放與污染物相對應的酶，從而提高特定污染物的去除效果。有研究表明，BPA的植物修復過程中，植物根際酶的氧化與羥基化等作用是其主要的修復途徑，而植物本身對BPA的直接吸收量很少［23］。

在根際提取的粗酶溶液中加入10 mg/L的BPA溶液，在37℃下培養5 min，BPA的去除率為50%，培養30 min后，BPA的去除率高達99%，而不加粗酶液的對照組，BPA的濃度沒有變化［24］；Okuhata等［23］通過無菌培養對比發現，丹參植物修復BPA與根際微生物基本無關，催化降解溶液中的BPA可能是根際酶，而其具體機理有待進一步的研究；Imai等［25］研究發現，高溫煮過的根部對BPA沒有去除效果，認為馬齒莧根際酶可能是催化降解BPA的主要原因，同時馬齒莧對不含酚基的內分泌干擾物鄰苯二甲酸酯的去除率很低，說明馬齒莧能夠分泌一種高效降解含酚基內分泌干擾物的酶。

2.3 植物根際與微生物聯合代謝作用

植物通過光合作用固定的碳以根系分泌物的形式釋放到土壤中，為土壤微生物提供糖類、氨基酸和維生素等營養物質，植物釋放到土壤中的分泌物的量占植物光合作用總量的10%-20%［26］，而土壤微生物可借助趨化感應，游向富含根系分泌物的根際及根表面進行定殖與繁殖。土壤微生物是土壤中活的有機體，是最活躍的土壤肥力因子之一，因此植物根際微環境區域是基質中最活躍的區域，這一區域有植物根系-微生物-土壤的共同作用，是污染物的去除效率最高的區域［27，28］。在雙酚A脅迫下，植物根際會分泌相應的酚類根系分泌物，刺激降解酚類物質的細菌大量增殖，通過細菌的生物強化作用和植物修復的耦合過程，以及細菌的在植株根際表面的定制殖能力，加速雙酚A的分解［29］。

Saiyood等［29］發現龍血樹根際微生物對BPA也有一定的去除效果，且在實驗中分離出6種對BPA有去除效果的菌株；Ho和Mathew等［30］從濕地中分離出來219種植物內生菌，其中木糖氧化無色桿菌菌株F3B用來進行植物修復實驗發現，在茶酚和苯酚等酚類物質脅迫下，木糖氧化無色桿菌菌株F3B能夠增加植物根系長度和根系鮮重，從而提高污染物的去除率；Toyama等［31］發現蘆葦根際分離出的BPA降解菌株TYA-1能夠加速根際BPA的降解。

3 植物修復技術在含雙酚A廢水修復中的應用

近年來，國內外開展了許多關于BPA的植物修復研究，并取得了一定的進展。 Saiyood等［32］研究了紅樹植物木欖對BPA的去除效果發現，BPA對該植物的LD50（半致死量）大約為39.97 mg/L，處理51 d后，BPA去除率可以達到96%以上，且在溶液中測到了多糖和有機酸，這是木欖在BPA脅迫下產生的物質；Okuhata等［33］研究發現，馬齒莧對BPA、TDP等酚類衍生物質有很好的去除效果，而且在培養基中還檢測出BPA的羥基化產物；Reis等［34］研究了多種水生植物對BPA、2，4-DCP等多種內分泌干擾物的去除效果，結果表明，70 d后，各種水生植物都能很好地穩定去除BPA，主要由過氧化物酶進行氧化分解；Dodgen等［35］評估了水培條件下生菜和羽衣兩種葉菜類蔬菜對BPA、DCL（雙氯芬酸鈉）、NPX（萘普生）和NP（4-壬基苯酚）四種內分泌干擾物的吸收和富集作用，兩種植物對四種物質的積累量由大到小為：BPA > NP > DCL > NPX，根部的積累量要遠遠大于莖葉的積累量。在實驗室研究的基礎上，植物修復的野外應用水平也有很大進展。Yang等［36］在天然蘆葦床河口濕地進行NP和BPA等酚類干擾物質的去除效果研究，結果顯示，酚類干擾物能夠被濕地截留，并通過不同的途徑去除，前3 d，平均有27.5%的酚類物質被截留，120 d后，各類物質平均截留量達到91.6%。

以上國內外的研究表明，植物修復含雙酚A廢水的實現一方面依賴于植物生命活動的不同環節和整個植物體，還要依靠植物根際微環境的各種生物化學作用過程。通過篩選出合適的植物，能夠提升廢水中BPA的植物修復效率。因此，植物修復可以作為一種成本低廉、效率較高、可行的原位修復技術，修復含雙酚A的廢水。

4 展望

植物修復是一種低成本、環境友好型的環境污染治理新技術，具有很好的發展前景。雙酚A的植物修復過程要比物理化學修復法緩慢，且非常復雜，因此，廢水中雙酚A的植物修復存在一定的局限性，今后的研究可以從以下3個方面考慮：（1）修復植物的篩選。不同植物對同一污染物具有不同的吸收去除能力，同一植物對不同污染物的吸收去除能力也不盡相同，植物不同其根系分泌物組成存在一定差異，根際微生物種類也會隨之發生變化，因此，植物篩選是植物修復過程中至關重要的一步，但實際植物篩選的條件多從生物量、生理現象等基本指數進行篩分，今后的研究過程中，應加強植物根際分泌酶及植物根系分泌物含量組成的變化進行綜合考慮，篩選適宜處理同時存在多種污染物的含雙酚A廢水。（2）深入研究廢水中雙酚A的修復機理。目前，大量的研究僅局限于從實驗現象進行分析，對于其修復機理多為猜測，并沒有具體研究結果，因此，要深入探討植物修復機理，尤其是植物根際微環境區域中植物-微生物-土壤三者的相互作用。（3）目前植物修復技術的實踐應用尚不成熟，植物修復含雙酚A廢水過程緩慢，通過對植物修復機理的深入研究，改善影響植物修復效率的因素，提出提高和完善植物吸收和降解雙酚A新技術，同時可將植物修復技術與多種修復技術聯合使用，從而進一步提高修復效率。從分子生物學角度探討雙酚A在植物體內的轉運機理，植物體內酶對特定污染物的降解過程，以及雙酚A在植物體內的最終歸宿。

植物修復技術是一個交叉和綜合學科領域，涉及代謝組學、植物生理學、土壤學、生物工程、化學等多門學科。目前該技術的應用研究還處于初步探索階段，仍存在諸多不完善的地方，但隨著各個學科、領域研究和實踐的深入，它的應用將更廣泛，并在污水和土壤修復中發揮重要作用。

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（責任編輯 狄艷紅）

Research Progress on Phytoremediation of Wastewater Containing Bisphenol A

WANG Lin1SUI Chun-xiao1，2WANG Jin2
（1. College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100；2. Key Laboratory of the State Ministry of Education of Marine Environment and Ecology，Ocean University of China，Qingdao 266100）

Bisphenol A，as an important production material，has been increasing dramatically in the environment in recent decades. Bisphenol A is one of the endocrine-disrupting compounds and hormone-like substances，which simulates，strengthens and inhibits the effects of hormone；in some cases，bisphenol A induces the proliferation and tumor of tissues or organs. Phytoremediation is a new environmental remediation technology developed in recent years，and is becoming promising in the field of bioremediation. Based on reading all related literatures，the selection of plants for remediation of bisphenol A was summarized，also the mechanism of phytoremediation of bisphenol A was discussed from three aspects：glycosylation effect of plant，degradation of rhizosphere enzyme，and joint metabolism of rhizosphere and microorganisms. Moreover，applications and researches of the phytoremediation of wastewater containing bisphenol A were reviewed，aiming at providing the references for phytoremediation of bisphenol A wastewater.

bisphenol A；phytoremediation；remediation mechanism

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.04.007

2015-07-06

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2008ZX07010-008-04），山東省科技攻關項目（2009GG20006010）

王琳，女，教授，研究方向：污水處理與回用、污水處理實用技術、安全飲用水；E-mail：18796004809@163.com