《Process Biochemistry》：Phytodetoxification and microbial community dynamics during the bioremediation of sulfonylurea herbicide contaminated soils by esterase SulE in cross-linked gelatin/chitosan
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磺酰脲类除草剂在碱性土壤中易残留并威胁作物和微生物群落。本研究通过固定酯酶SulE于凝胶/壳聚糖（GLT/CTS-SulE），验证其修复含 tribenuron-methyl 或 metsulfuron-methyl 污染土壤的效果，发现显著提升玉米株高、根长、鲜重及根重，同时通过磷脂脂肪酸（PLFA）分析维持总PLFA、细菌PLFA 浓度及香农指数平衡，并促进真菌PLFA。相较于游离SulE，固定化酶在重污染下更具优势，为原位修复提供创新方案。
作者：向莉、傅宣和、徐莉、苏振成、张慧文、于志雄
中国科学院应用生态研究所污染生态与环境工程重点实验室，中国沈阳110016
摘要
磺酰脲类除草剂在碱性土壤中具有持久性，这会对作物和土壤微生物群落造成风险。本研究评估了明胶/壳聚糖固定化的SulE（GLT/CTS-SulE）在修复受三苯酮草酯或甲磺隆污染的土壤中的效果，重点考察了其植物修复能力和对土壤微生物动态的影响。结果表明，GLT/CTS-SulE有效改善了玉米的多个生长指标，包括植株高度、主根长度、鲜重和根重。此外，GLT/CTS-SulE还能有效维持土壤微生物的平衡。它减轻了磺酰脲类除草剂对总磷脂脂肪酸（PLFA）浓度、细菌PLFA浓度和Shannon-Wiener指数的抑制作用，并促进了真菌PLFA浓度的增加。与游离态SulE相比，GLT/CTS-SulE在修复受三苯酮草酯或甲磺隆污染的土壤方面表现出更强的能力。总之，GLT/CTS-SulE为原位修复受磺酰脲类除草剂污染的土壤提供了一种稳定且高效的方法。
引言
磺酰脲类除草剂因其卓越的效果、低使用剂量和广谱除草能力而在全球农业中得到广泛应用[1]。然而，在特定环境条件下（如碱性土壤中），这些化合物容易残留和积累[2][3]。即使微量的磺酰脲类除草剂残留也会对敏感的轮作作物产生显著的植物毒性，并扰乱土壤微生物群落及动物行为[4][5][6][7]。这些物质的长期生物积累引发了生态安全性和人类健康方面的担忧[8]。因此，修复受磺酰脲类除草剂污染的农业土壤仍然是一个关键挑战。
传统的物理化学修复技术通常成本较高、操作复杂，并且可能存在二次污染的风险[9]。因此，环保型的生物修复方法成为有前景的替代方案，尤其是利用酶降解的方法，因为它们在效率和特异性方面具有优势[10][11]。酯酶SulE能够特异性地水解磺酰脲类除草剂中的酯键，生成毒性较低的酸性代谢物，使其成为快速原位解毒过程的理想候选者[12]。然而，游离酶在复杂的土壤环境中容易因pH值波动、温度变化和微生物蛋白酶等因素而失活[13][14][15][16]。酶固定化技术为解决这些问题提供了有效方案[17][18]。明胶具有良好的生物相容性，而壳聚糖则具有优异的机械强度和抗菌性能[19][20]。这两种材料的交联形成了稳定的三维网络结构，能够有效包裹和保护游离酶，提高酶对土壤环境压力的耐受性，使其成为酶固定化材料的理想选择[21][22]。因此，由明胶和壳聚糖构成的固定化系统（GLT/CTS）由于其出色的酶保护能力和环境适应性，在受污染土壤的生物修复中具有巨大潜力。
本研究采用了一种环境友好的固定化酶系统——明胶/壳聚糖固定化的酯酶SulE（GLT/CTS-SulE），重点评估了其在修复受磺酰脲类除草剂污染土壤中的效果。通过分析玉米的生理指标，评估了其减轻植物毒性的能力。磷脂脂肪酸（PLFA）分析用于研究总PLFA浓度、细菌PLFA浓度、真菌PLFA浓度及Shannon-Wiener指数的动态变化，以阐明其在恢复微生物生态平衡中的作用。本研究旨在为高效稳定的生物修复受磺酰脲类除草剂污染的土壤提供创新的技术支持和理论依据。
材料
三苯酮草酯（纯度96.20%）和甲磺隆（纯度96.40%），以及色谱试剂和光谱分析试剂均购自Sigma-Aldrich公司。菌株Chenggangzhangella methanolivorans CHL1已在实验室中成功分离并保存。
壳聚糖（CTS）来自广州卓科生物科技有限公司。明胶（GLT）购自美国密苏里州圣路易斯的Sigma公司。
植物解毒效果
7天后，测量了所有实验组的玉米生长参数（图1）。与对照组CK0相比，添加了三苯酮草酯或甲磺隆的TL0、TH0、ML0和MH0组的植株高度、鲜重、主根长度和根重均显著受到抑制（P<0.05）（图1A-1D）。此外，三苯酮草酯对根重的抑制作用具有浓度依赖性；甲磺隆也表现出类似的抑制效果。
结论
研究表明，将酯酶SulE固定在明胶/壳聚糖上（GLT/CTS-SulE）可以有效修复受磺酰脲类除草剂污染的土壤，同时减轻植物毒性并恢复土壤微生物群落的平衡。与游离态SulE相比，GLT/CTS-SulE在高除草剂压力条件下表现出更优的性能，这突显了固定化策略在提高酶活性方面的显著优势。
作者贡献声明
傅宣和：数据可视化、正式数据分析。
向莉：初稿撰写、正式数据分析、概念构思。
于志雄：审稿与编辑、项目监督、资金筹集、正式数据分析、概念构思。
张慧文：资金筹集、概念构思。
苏振成：实验研究。
徐莉：正式数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（项目编号：XDA28010503）和辽宁省博士启动基金（项目编号：2025-BS-0866）的支持。
