在全球水體抗生素污染日益嚴(yán)峻的背景下，水生植物介導(dǎo)的phytoremediation(植物修復(fù))技術(shù)因低成本、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。然而，環(huán)境脅迫因子(如溫度、紫外線)如何與植物形態(tài)特征交互作用，影響抗生素的吸收與降解過(guò)程，仍是亟待厘清的科學(xué)問(wèn)題。
2025年7月31日，Journal of Hazardous Materials在線發(fā)表了巴西巴拉那聯(lián)邦大學(xué)Marcelo Pedrosa Gomes實(shí)驗(yàn)室題為“Interactive effects of temperature and UV radiation on antibiotic uptake and degradation in a floating (Salvinia molesta) and a submerged / emergent (Myriophyllum aquaticum) macrophyte”的研究論文，該研究以?xún)煞N典型水生植物為對(duì)象，系統(tǒng)揭示了溫度、UV輻射與植物形態(tài)類(lèi)型對(duì)水體抗生素修復(fù)效能的調(diào)控機(jī)制，為優(yōu)化氣候適應(yīng)性修復(fù)策略提供了重要依據(jù)。
水體中的抗生素污染已成為全球生態(tài)安全的重大威脅。這些污染物通過(guò)市政污水、醫(yī)療廢水及農(nóng)業(yè)徑流進(jìn)入淡水系統(tǒng)，不僅干擾水生微生物群落結(jié)構(gòu)，還會(huì)加速抗生素耐藥基因的傳播。
水生植物作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的核心組分，可通過(guò)吸收、代謝、固持等過(guò)程降低水體中抗生素濃度，但其修復(fù)效率易受環(huán)境因子影響。溫度通過(guò)調(diào)控酶活性與代謝速率，UV 輻射通過(guò)直接光降解與誘導(dǎo)植物氧化應(yīng)激，均可能改變植物的修復(fù)能力；而植物的形態(tài)類(lèi)型(如漂浮 vs 沉水/挺水)作為 “界面調(diào)節(jié)器”，可能進(jìn)一步放大或緩沖這些環(huán)境效應(yīng)。
研究選取了兩種形態(tài)差異顯著的水生植物：槐葉萍(Salvinia molesta)：漂浮植物，葉片漂浮于水面，根系懸浮于水體，直接暴露于大氣與光照環(huán)境；粉綠狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)：沉水/挺水植物，植株部分或完全處于水下，與水體接觸更充分。兩種植物均廣泛分布于熱帶、亞熱帶地區(qū)，在自然污水處理系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
實(shí)驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)溫度梯度(15℃、22℃、29℃)、2種UV輻射條件(有無(wú)UV-A/UV-B)及2種抗生素暴露水平(有無(wú)混合抗生素，包括阿奇霉素、阿莫西林、環(huán)丙沙星、磺胺甲噁唑)，通過(guò)12種處理組合，系統(tǒng)評(píng)估植物的生長(zhǎng)生理、抗生素吸收與代謝特征。
本研究中，槐葉萍和粉綠狐尾藻光合作用活性相關(guān)的葉綠素?zé)晒鈪?shù)最小熒光(Fo)和最大熒光(Fm)、光系統(tǒng)II的最大光化學(xué)量子產(chǎn)率(Fv/Fm)、葉綠素濃度、類(lèi)黃酮(AFlav)和花青素(AAnth)和氮平衡指數(shù)(NBI)均通過(guò)植物多酚葉綠素?zé)晒鈨xLSA-2050測(cè)量完成。
表1 抗生素與 UV 聯(lián)合作用對(duì)槐葉萍生理生化參數(shù)影響的Bliss獨(dú)立性模型分析，含觀測(cè)抑制率、預(yù)期抑制率、抑制率比及相互作用類(lèi)型。
表2 抗生素與UV聯(lián)合作用對(duì)粉綠狐尾藻生理生化參數(shù)影響的Bliss獨(dú)立性模型分析，含觀測(cè)抑制率、預(yù)期抑制率、抑制率比及相互作用類(lèi)型。
溫度對(duì)修復(fù)效能的調(diào)控：物種特異性顯著
槐葉萍的修復(fù)效率隨溫度升高而提升，在29℃時(shí)達(dá)到最優(yōu)，其相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR)較22℃提升23%，抗生素吸收能力顯著增強(qiáng)；粉綠狐尾藻的修復(fù)效能在15-29℃范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，顯示出更強(qiáng)的溫度適應(yīng)性。這一差異與植物代謝活性相關(guān)：高溫促進(jìn)槐葉萍的氮同化(氮平衡指數(shù)NBI升高)，增強(qiáng)代謝能力；而粉綠狐尾藻的酶系統(tǒng)對(duì)溫度波動(dòng)更不敏感。
圖1 不同溫度、抗生素及UV處理下槐葉萍和粉綠狐尾藻的相對(duì)生長(zhǎng)率、葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fo、Fm、Fv/Fm)對(duì)比。
圖2 不同溫度、抗生素及UV處理下槐葉萍和粉綠狐尾藻的葉綠素、花青素、類(lèi)黃酮含量及氮平衡指數(shù)對(duì)比。
UV 輻射的雙重作用：形態(tài)決定 “利弊”
對(duì)粉綠狐尾藻：UV輻射顯著增強(qiáng)其抗生素降解能力，尤其是在15℃時(shí)，環(huán)丙沙星、磺胺甲噁唑的代謝產(chǎn)物(如CIP-M1、SMX-M1)濃度顯著升高，表明UV可能誘導(dǎo)了相關(guān)降解酶(如細(xì)胞色素P450)的活性；對(duì)槐葉萍：UV輻射反而降低水體中抗生素的光降解效率—其漂浮葉片可衰減55% 的UV-B和48%的UV-A，形成 “遮光效應(yīng)”，導(dǎo)致水體中抗生素殘留增加，而植物自身的代謝轉(zhuǎn)化能力較弱。
圖3 不同溫度和 UV 處理下槐葉萍和粉綠狐尾藻對(duì)混合抗生素的植物修復(fù)能力對(duì)比。
圖4 不同溫度和 UV 處理下槐葉萍和粉綠狐尾藻體內(nèi)多種抗生素及其代謝產(chǎn)物的濃度對(duì)比。
形態(tài)類(lèi)型的核心作用：從 “固持” 到 “轉(zhuǎn)化”
槐葉萍：以 “固持” 為主，體內(nèi)抗生素濃度更高，但代謝產(chǎn)物比例低，表明其更依賴(lài)表面吸附與被動(dòng)吸收；粉綠狐尾藻：以 “轉(zhuǎn)化” 為核心，雖吸收的抗生素總量較低，但代謝產(chǎn)物(如 AMX-M1、AZI-M1)濃度更高，體現(xiàn)出更強(qiáng)的主動(dòng)降解能力。這種差異源于形態(tài)特征，漂浮植物的氣—水界面接觸模式更利于吸附，而沉水植物與水體的全面接觸更利于酶促降解。
研究提出，基于兩種植物的互補(bǔ)特性，混合種植系統(tǒng)可顯著提升修復(fù)效率：槐葉萍通過(guò)高表面積快速固持水體中的抗生素，減少擴(kuò)散；粉綠狐尾藻在水下通過(guò)UV增強(qiáng)的代謝作用，深度降解殘留污染物及代謝產(chǎn)物。這一策略尤其適用于氣候波動(dòng)較大的區(qū)域：在高溫季節(jié)，槐葉萍的固持能力占優(yōu)；在UV輻射較強(qiáng)的時(shí)段，粉綠狐尾藻的降解作用可彌補(bǔ)光降解的不足。
本研究首次系統(tǒng)闡明了溫度、UV 輻射與植物形態(tài)類(lèi)型的交互作用對(duì)水體抗生素修復(fù)的調(diào)控機(jī)制，為精準(zhǔn)篩選修復(fù)物種提供了科學(xué)依據(jù)：熱帶高溫區(qū)：優(yōu)先選用槐葉萍，或與粉綠狐尾藻混種；高UV輻射區(qū)(如高海拔、低濁度水體)：粉綠狐尾藻是更優(yōu)選擇；氣候變化背景下：需關(guān)注植物對(duì)極端溫度與UV波動(dòng)的適應(yīng)潛力，構(gòu)建 “形態(tài)互補(bǔ) + 功能協(xié)同” 的修復(fù)系統(tǒng)。
未來(lái)研究可進(jìn)一步探索混合系統(tǒng)的種間作用機(jī)制，及抗生素代謝產(chǎn)物的生態(tài)毒性，為實(shí)際應(yīng)用提供更全面的理論支撐。
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