来源：Journal of Hazardous Materials
题目：Unlocking the roles of wheat root exudates in regulating laccase-catalyzed estrogen humification
小麦根系分泌物在调控漆酶催化雌激素腐殖化中的作用
研究团队：安徽农业大学硕士研究生牛紫焱为第一作者，安徽农业大学孙凯教授为通讯作者。
资助信息：该研究工作得到了国家自然科学基金（42277019）和安徽省自然科学基金-优青项目（2308085Y28）的共同资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135637
摘要
漆酶诱导腐殖化具有高效转化雌激素的能力，然而关于小麦根分泌物（W-REs）在酶促腐殖化中扮演的角色仍知之甚少。本论文探索了W-REs对漆酶诱导腐殖化中17β-雌二醇（E2）和双酚A（BPA）转化的影响及机制。W-REs抑制了酶促腐殖质化中E2去除，但促进了BPA转化，E2和BPA转化一级动力学速率常数分别为0.27~0.69、0.28~0.55 h-1。W-REs中特定的小分子酚类和氨基酸易受漆酶腐殖化作用，进而加速雌激素与W-REs的共聚合反应。温室水培3 d后，小麦根和茎叶中E2（BPA）累积量分别为0.87（2.15）、0.43（0.51）nmol·株-1。漆酶诱导根际腐殖化通过在雌激素和W-REs之间形成低毒性、甚至无毒的共聚合沉淀物，降低了根际溶液中雌激素的植物毒性和生物利用度，从而减轻了雌激素在小麦细胞中的吸收、积累和分布。研究结果揭示了W-REs在调节漆酶催化雌激素腐殖化中的作用，为解决作物根际有机污染和确保食品安全提供了新途径。
1.研究背景与意义
雌激素被作物吸收、积累和储存后，会降低作物产量和品质，甚至引发野生物种和人类健康风险。根际是作物根系分泌物和雌激素互作的网络区域，在调节作物对雌激素的吸收和转运方面发挥关键作用。虽然，漆酶诱导腐殖化有助于减轻环境有机污染风险；但是，作物根系分泌物对漆酶诱导雌激素腐殖化的影响及机制尚不清楚。本研究采用批量平衡试验方法，探索了W-REs对漆酶诱导腐殖化中E2和BPA转化动力学的影响；结合温室水培盆栽试验手段，综合地解析了漆酶诱导根际腐殖化影响小麦吸收和积累雌激素的作用机制。
2.主要结果
2.1. W-REs对漆酶诱导雌激素转化动力学的影响
漆酶诱导腐殖化中W-REs能够阻碍E2转化，但增强了BPA转化。W-REs中含有丰富的糖、氨基酸和酚，它们能够通过竞争漆酶活性位点或者激活非生物氧化来影响漆酶腐殖化中雌激素的转化动力学。如图1所示，随着W-REs浓度从0增加到80 mg·L-1，漆酶诱导腐殖化中E2的一级动力学速率常数（k）从1.44 h-1降低到0.64 h-1；BPA的k值则从0.74增加到1.18 h-1，当W-REs浓度达到80 mg·L-1时，由于漆酶活性降低，BPA转化k值趋于下降。可见，W-REs在漆酶催化E2和BPA腐殖化中发挥了不同作用。
图1 W-REs存在下漆酶腐殖化中E2和BPA转化的一级动力学拟合曲线
2.2. 酶促腐殖化中雌激素转化产物的鉴定及动态变化
采用高分辨质谱（HRMS）分析方法，在漆酶腐殖化中共识别出8种E2自/共聚合物和7种BPA自/共聚合物。W-REs存在下E2和BPA可以与W-REs中特定组分结合，生成复杂多样的腐殖化产物。通过描述雌激素自聚合物在漆酶腐殖化中的时间分布，能够间接评价雌激素共聚合过程。漆酶腐殖化中E2和BPA单体的相对丰度迅速下降，二聚体、三聚体和四聚体的相对丰度呈现先增加后减少的趋势；与二聚体相比，三聚体和四聚体的相对丰度增加速度较慢。W-REs存在下两种雌激素低聚物的时间分布也出现了类似的变化趋势，且在漆酶腐殖化发生10 d后，HRMS分析显示在含有W-REs的反应体系中未观察到雌激素的二聚体、三聚体和四聚体等低聚物，但观察到一些聚合物沉淀，表明雌激素低聚物可以转化为高度复杂且难以识别的共聚物。总的来说，W-REs增强了漆酶诱导腐殖化中雌激素的共聚合作用，进而降低了雌激素自聚物的产量。
2.3. 雌激素腐殖化沉淀物的性能表征
通过扫描电镜和谱学分析手段，明确了雌激素腐殖化产物中的微观形貌、官能团分布和化学结构。与未添加W-REs相比，W-REs促进了漆酶诱导腐殖化中雌激素的共聚合反应，生成了更大粒径的棕色沉淀物。E2和BPA共聚合沉淀物中C、O和N元素的比例分别为75.2：23.8：1.0和65.6：33.1：1.3，表明W-REs强化了腐殖化产物中O和N含量，从而提高了聚合沉淀物的产率。此外，自/共聚物在1200、1730、1400 cm-1处出现的特征峰，分别显示了芳香醚C-O拉伸、羧基C=O拉伸和酰胺C-N拉伸。与自聚物相比，共聚物的光谱在3200～3600 cm-1附近具有相对更宽的峰，表明共聚物在分子结构上含有丰富的活性基团，如酚-OH，-COOH和芳香醚。13C-NMR进一步证实W-REs参与了漆酶腐殖化中雌激素的共聚合反应，导致共聚物在结构上比自聚物更加复杂多样。
图2 漆酶诱导腐殖化中雌激素自/共聚合沉淀物的FTIR和13C-NMR谱图
2.4. 漆酶诱导根际腐殖化对小麦吸收和积累雌激素的影响
温室水培盆栽试验结果表明，漆酶诱导根际腐殖化可以减轻雌激素在小麦体内的积累和分布。E2和BPA均会明显抑制小麦种子的萌发、生长和发育，两种雌激素在小麦幼苗根际溶液中的残留浓度如图3所示，与未添加漆酶处理组相比，漆酶诱导根际腐殖化中E2和BPA的残留量分别从0.35、0.95 μmol·L-1降低至0、0.09 μmol·L-1；培养3 d后，小麦根和茎叶中E2（BPA）的积累量分别降低了66.7%（69.3%）和79.1%（64.7%），表明漆酶诱导根际腐殖化能够有效地减轻雌激素的作物毒性症状，并降低作物体内雌激素污染的潜在风险。此外，与不添加W-REs相比，W-REs会通过形成复杂的共聚物以促进雌激素的解毒作用。发芽指数（GI）的测试结果进一步证实，漆酶诱导腐殖化显著地减轻了雌激素及其聚合物对小麦种子的毒性症状，且随着腐殖化程度的升高，雌激素的植物毒性逐渐减弱。当酶促腐殖化24 h后，雌激素共聚物的GI值高于100%，暗示复杂的雌激素共聚物完全无毒害作用，甚至可以刺激作物生长。
图3 漆酶诱导根际腐殖化中小麦体内雌激素的分布特征
3.总结
W-REs在漆酶诱导根际腐殖化修复雌激素污染物中发挥重要作用。一方面，E2和BPA能够通过漆酶腐殖化快速转化为聚合产物，W-REs阻碍了漆酶腐殖化中E2转化，但促进了BPA去除。另一方面，漆酶腐殖化可以促进根际溶液中雌激素与特定根系分泌物的共聚合作用，产生高度交联的沉淀物，进而减少它们在小麦细胞中的吸收、积累和分布。研究结果揭示了W-REs在漆酶诱导雌激素腐殖化中的关键作用，为解决作物根际有机污染风险和确保农产品安全提供了新思路和途径。
作者简介
牛紫焱，硕士研究生，安徽农业大学资源与环境学院。
孙凯，博士，教授，博士生导师，安徽农业大学“神农学者”，安徽省自然科学基金-优青项目获得者。主要研究方向为有机污染控制与农业环境保护。目前，已主持国家级和省部级课题9项。在Trends Biotechnol.、PNAS Nexus、npj Clean Water、iScience、Environ. Sci. Technol.和Water Res.等刊物上发表学术论文70余篇；授权国际发明专利1件、国家发明专利3件；主编学术专著1部，参编学术专著2部。荣获第十届中国土壤学会科学技术二等奖1项、安徽省科学技术进步二等奖1项等。
责任编辑：宋潇
校对丨审核：张阳 王农
本篇文章由《农业环境科学学报》青年编委孙凯教授供稿。欢迎各位专家学者向农业环境科学投稿宣传团队科研成果！请您联系邮箱：caep_sx@163.com。投稿时请确保您拥有论文的翻译、编辑、转载等权利。
