漆酶诱导根际腐殖化减低玉米17β-雌二醇污染的作用机制

作     者：陈美骅 

作者单位：安徽农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙凯;高彦征

授予年度：2023年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：玉米根际 雌激素污染 真菌漆酶 腐殖质前体 共聚合 腐殖化 

摘      要：环境雌激素是一类能扰乱生物体内分泌系统的化学物质,其暴露不仅对植物生长和代谢产生负面效应,也会增加人类膳食风险。漆酶作为一种绿色催化剂,能以分子氧作为唯一电子受体,诱导雌激素、酚类和氨基酸等多种底物的氧化聚合和腐殖化。该反应具有操作简单可控、催化效率高、生态环保等优点。然而,能否利用漆酶诱导根际腐殖化（L-DRH）减低植物雌激素污染风险?国际上仍鲜有报道。本论文分别选用17β-雌二醇（E2）、玉米作为代表性环境雌激素和供试植物,通过温室水培盆栽试验方法,研究了L-DRH对玉米根际E2衰减动力学的影响,揭示了L-DRH减低玉米E2污染的生理生化机制。主要研究结果如下:（1）L-DRH可有效地去除玉米根际水环境中E2,且E2衰减符合准一级动力学模型。与未添加漆酶处理组相比,10μM E2+玉米+漆酶处理组在培养12 h内,E2去除率从54.72%上升到97.48%,E2衰减动力学常数（k）由0.04 h增加至0.33 h;而50μM E2+玉米+漆酶处理组的E2去除率从40.10%上升到80.00%,k值由0.02 h增加至0.04 h。玉米根系分泌物中腐殖质前体（HPs,如总酚、总氨基酸和总糖）的含量随着培养时间的延长而增加,其中未添加漆酶处理组中HPs含量比添加漆酶处理组高。例如,在培育120 h后,10μM E2+玉米处理组的总酚、总氨基酸和总糖含量分别上升至214.00、14.34和276.26μg·m L,而10μM E2+玉米+漆酶处理组的总酚、总氨基酸和总糖含量则为205.11、13.16和223.22μg·m L。高分辨质谱鉴定结果表明,L-DRH不仅能将E2转化为雌酮（E1）和雌三醇（E3）等氧化产物,也可将其聚合为二聚体、三聚体、四聚体、低聚物和高聚物。E2氧化产物和自聚产物的含量在腐殖化反应前期逐渐增加,随后呈下降趋势,且E2+玉米+漆酶处理组中E2氧化产物和自聚产物含量显著地减少。因此,L-DRH能通过单电子氧化过程促进E2和HPs氧化聚合,从而有效地消减玉米根际E2污染。（2）L-DRH可促进玉米根际E2和HPs共聚合,产生大分子腐殖化沉淀产物。通过大批量试验方法,收集了L-DRH中产生的共聚合沉淀产物,并分析了其微观形貌、元素比例、官能团组成、化学结构和有机碳组分分布等特性。扫描电子显微镜结合能谱观察到沉淀产物表面较粗糙且呈现团聚现象,其中E2+玉米+漆酶处理组中沉淀产物的团聚作用更明显、C/N比值更高、亲水程度更强;傅里叶红外光谱和核磁共振谱图表明,该类沉淀产物存在芳香族C=C和共轭羰基C=O拉伸、C-O-C芳香醚键伸缩等特性,且具有芳香碳、酚羟基、羧基碳等官能团,表现出明显地芳香性和酸性;球差校正透射电子显微镜指出,与未添加漆酶处理组相比,E2+玉米+漆酶处理组中所形成腐殖化沉淀产物的芳香碳、酚碳、脂肪碳和羧基碳的碳信号更强烈。可见,L-DRH有助于根际E2和HPs共聚合,从而形成大分子C-C、C-O-C或C-N-C共价的腐殖化沉淀产物。（3）L-DRH有效地减轻了高浓度E2对玉米幼苗的生物毒性,并减低了玉米幼苗E2污染风险。与50μM E2+玉米处理组相比,50μM E2+玉米+漆酶处理组中玉米幼苗的株高、根长、鲜重、光合色素含量均显著增加（p0.05）。此外,L-DRH也减轻了玉米幼苗对E2的吸收和积累作用。例如,10μM E2+玉米和10μM E2+玉米+漆酶处理组在培养0-120内,玉米根中E2浓度分别在12和8 h达到最大值17.53、10.84μmol·kg（FW）,茎叶中E2浓度分别在24和12 h达到最大值3.11、2.89μmol·kg（FW）。同时,玉米不同部位对E2吸收和积累表现为根系大于茎叶。例如,10μM E2+玉米处理组的根、茎叶中E2积累量分别在12和24 h达到最大值2.19和0.76 nmol·株,而10μM E2+玉米+漆酶处理组的玉米根、茎叶中E2积累量分别在8和12 h达到最大值1.27和0.59 nmol·株。玉米根中E2产物鉴定结果表明,E2氧化产物（E1和E3）和聚合产物的含量在培养前期逐渐增加,随后呈下降趋势。与E2+玉米处理组相比,E2+玉米+漆酶处理组玉米根中E2氧化产物和自聚产物的含量下降更明显。因此,L-DRH具有解除E2植物毒性并减轻植物E2污染风险的双功能。综上所述,L-DRH可有效地减低玉米根际和幼苗体内E2污染。研究结果为利用酶促腐殖化规避作物雌激素污染风险、增加环境有机碳含量和促进农业增产增收等提供了理论见解和科学指导。