杂草变废为宝——系统微生物学与生物制造综述推荐

A review on valorization, management, and applications of the hazardous weed Parthenium hysterophorus

杂草变废为宝——Parthenium hysterophorus的价值化、管理及应用

原文链接

https://doi.org/10.1007/s43393-023-00226-8

    Parthenium hysterophorus是一种有害杂草，自两个多世纪前离开其原生环境后便在全球范围内传播。它强大的生存能力源于其具有的多种适应性特征，例如没有天敌、适应环境广泛、耐旱能力强、对光照条件不敏感、种子生产和传播快速以及化感作用强等，使其能够在各种土壤类型中克服气候限制进行繁殖。考虑到其危害性，人们的首要目标是消除P. hysterophorus的进一步扩散。但是单纯限制其扩张并非有效的根除策略，相反，人们可以使用多种策略将其变废为宝来有效地处理这一问题。作者在本文综述了P. hysterophorus当前存在的问题，并重点描述了其可以被利用的途径，这可能为解决其扩散问题提供了新的方法。作者表示，收集P. hysterophorus后处理可以将其用于堆肥、作为重金属和染料的生物修复剂、作为生产纤维素酶、乙醇等的生物质转化的基质。

 图一 P. hysterophorus综合管理策略

研究背景

    P. hysterophorus被认为是全球七大最具破坏性杂草之一，是一种快速生长的一年生草本植物。原生于墨西哥东北部，是北美的土著植物。这种杂草因其强大的生长能力和高繁殖力而闻名，普遍存在于气候温暖的地区。它对人类和动物健康都有一定威胁，可以引起过敏性呼吸问题、接触性皮炎等疾病。此外，由于其具有化感作用，它大大降低了作物的生产力，并对生物多样性构成威胁。

    这种杂草可以在多种环境条件下存活，具有强大的适应能力和生存力。P. hysterophorus 的种子在适宜的条件下可以全年萌发，它们的传播能力极强，能在恶劣的环境如干旱中存活和繁衍。据估计，一个 P. hysterophorus 植株可以产生 10,000 到 25,000 个可存活的种子，这些种子小且轻便，易于传播，能覆盖大面积地区。这种外来杂草被认为是20世纪50年代通过一项旨在向不发达国家提供粮食的法案传入印度的。自那以后，这种入侵性杂草在印度迅速传播，影响了大约两百万公顷的土地。

    目前，P. hysterophorus 在几乎所有的印度邦都是一个严重的问题，并已成为全球传播最广的杂草之一。在印度，这种杂草常见于空地、城镇周围的发展住宅区、铁路轨道、道路、排水和灌溉渠道等类似地点。同时，在成熟的花园、种植园或蔬菜农场中，这种杂草也能茁壮成长。P. hysterophorus 的生长速度非常快，通常在四到八周开始开花，并持续开花数月。在不利条件下，如干旱，这种杂草可能在四周内萌发、成熟或结籽。

 图二 P. hysterophorus的植株结构

    为控制 P. hysterophorus 杂草的迅速蔓延，研究者们正在探索最有效和经济的控制方法。在印度，由于这种杂草快速侵入农业区域，控制其扩散显得尤为重要。目前，采用了多种控制手段，采取了包括化学、物理和生物方法以及它们的组合（表一）。

 表一 P. hysterophorus防治方法简述

    生物控制是一种通过引入生物体来抑制一个或多个不希望的物种的方法。对于P. hysterophorus 的扩散，生物控制被证明是最有效的策略。这可以通过植食性昆虫、利用具有抗杂草特性的真菌、细菌或其他竞争性植物来实现。目前考虑的生物控制方法包括使用寄生或植食性昆虫、病原微生物等，它们能经济环保的抑制P. hysterophorus的生长。例如，一种叶锈真菌Puccinia xanthii var. parthenii-hysterophorae 和一种蛀茎象鼻虫 Listronotus setosipennis 被认为是该杂草的潜在生物控制剂。此外，也有研究表明，某些植物，如 Cassia 属和 Tephrosia purpurea 等，也对控制 P. hysterophorus 的生长繁殖有效。

图三 P. hysterophorus生物防治示意图

    草甘膦是一种被全球广泛使用来消除 P. hysterophorus 杂草的除草剂。选择性除草剂基于物种间生理变化的优势在于，它能够有效管理特定的杂草种类而不损害作物，这对于农业生态系统管理至关重要。化学控制方法对于缺乏 P. hysterophorus 天敌的区域尤其重要。此外，当前的研究显示A. gaisen 的原始培养滤液对 P. hysterophorus 的萌发有显著的抑制作用，具有重要的除草能力。

    P. hysterophorus 虽然对环境和生物健康构成了威胁，但它的主要化学成分（包括类黄酮、生物碱和萜类）也赋予了它多种生物学功能，如抗菌、杀螨、杀虫、抗氧化和细胞毒性活动。这些属性意味着 P. hysterophorus 可用于开发新型抗菌和抗氧化剂，甚至可能在抗癌药物中发挥作用。研究表明，P. hysterophorus 的不同提取物在体外测试中显示出抗菌活性，并且对癌细胞系显示出抗癌活性。因此，尽管 P. hysterophorus 在农业和环境中造成了问题，但它也可能成为开发医药和健康产品的有价值的资源。

    同时其生物质可作为可再生底物用于生产生物燃料，特别是生物乙醇。利用 P. hysterophorus 作为生产第二代（2G）生物燃料的原料是一种创新的杂草管理策略，能够降低其对环境的影响，并为农村社区提供便宜的能源原料。通过物理、化学、生物化学等多种预处理方法，可以将其转化为可发酵的糖混合物，进而有效地通过酵母发酵产生生物乙醇。这样不仅解决了管理问题，还为能经济环保的生成生物质燃料。

 表二 处理P. hysterophorus释放的还原糖量

    此外，P. hysterophorus 的生物质可以在线水解过程被转化为糖，以进行之后的酶解和发酵。水解可采用化学方法（如酸处理）或生物方法（如酶处理）。酸水解可以产生高产量的纤维素糖，但仍然存在设备腐蚀的问题。而酶解则可以利用微生物分离的各种酶来分解纤维素和半纤维素。酶解后得到的可发酵糖随后可以通过特定的微生物发酵为乙醇。酶解过程中，多变量统计工具如响应面方法（RSM）可用于优化相关过程。随后，利用生物发酵可以继续将分解得到的C6糖和C5糖转化为乙醇。当前处理P. hysterophorus生物质以生产乙醇的关键问题是如何处理其中含有的毒素，这些毒素可能会抑制某些微生物的生长，影响发酵过程，因此如何去除或破坏这些毒素是生物转化过程中的一个重要障碍。

图四 P. hysterophorus生物质转化为乙醇过程

    P. hysterophorus 杂草的生物质作为一种基于纤维素的原料，可以用于生产沼气。沼气主要由甲烷和二氧化碳组成，剩下的废料中具有富含营养的生物固体，可用作肥料或土壤改良剂。此外，杂草与动物粪便的混合可以增加沼气产量，P. hysterophorus 与牛粪混合后在厌氧消化器中进行发酵，可以显著提高甲烷浓度。此外，P. hysterophorus 也可以作为生产纤维素酶的低成本生物质原料，通过固态发酵等方法，可以有效生产纤维素酶，这是一种重要的工业酶，广泛应用于纺织加工、造纸、食品饮料制造、洗涤剂生产和动物饲料加工等领域。

    P. hysterophorus杂草的纳米粒子合成能力和生物修复性能提供了多种环保应用可能，它可以用于生物合成金属纳米粒子，这些纳米粒子在医学等领域有潜在应用。此外，P. hysterophorus还被研究用于重金属和染料污染的生物修复，特别是将其制备成其干粉可用作吸附剂去除废水中的镉等重金属。在纺织行业，P. hysterophorus的酚氧化酶可分解染料，减少废水的毒性。此外，它还可通过堆肥化转化为有机改良剂，用于土壤肥力管理，同时减少其化感作用对敏感作物的影响。

图五 发酵法生产纤维素酶

    作者认为，未来应进一步探索 P. hysterophorus 杂草的有益用途，以增加其应用范围。关于 P. hysterophorus 的研究表明，尽管它被归类为杂草，但具有多种潜在用途，如堆肥制作、作为去除有害金属和染料的生物修复剂、生产酶的经济基质、用于乙醇生产和作为生产沼气的基质。有效管理 P. hysterophorus 对防止生物多样性损害和经济损失至关重要，而目前对其有益用途的探索研究尚处于初级阶段，需要进一步探索以拓展其应用范围。由于单一方法难以长远稳定的成功控制，因此需要综合多种抑制其扩散及再利用的策略。研究者、农民和政府机构之间的合作对于通过P. hysterophorus的扩散和再利用至关重要。此外，P. hysterophorus 富含多种具有特殊功能的化合物，显示出强大的抗炎、抗菌和抗癌特性，因此可以在未来作为药用资源进行拓展研究。

Kumar, N., Aggarwal, N.K. A review on valorization, management, and applications of the hazardous weed Parthenium hysterophorus. Syst Microbiol and Biomanuf (2024). https://doi.org/10.1007/s43393-023-00226-8