在温室环境中研究植物对铬胁迫的响应：利用万寿菊进行植物修复与ZnO辅助的纳米植物修复

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Investigating plant response to chromium stress in a greenhouse setup: phytoremediation vs ZnO-assisted nanophytoremediation using Marigold

铬污染修复中纳米植物修复技术的机制与效率研究，通过印度IPv的常规与纳米修复对比，发现ZnO纳米颗粒在10 μg/mL时效率达76.6%，但浓度过高反降。分子对接揭示ZnO与植物合成/降解酶的强相互作用，增强抗性和修复能力。

　　

S. Lekshmi|C. Raksha|S.Smitha Chandran|Vinod V.T Padil|Jorge E. Celi

印度喀拉拉邦阿姆里塔普里阿姆里塔维什瓦大学化学系

摘要

由于铬在生物组织中的生物累积及其相关的不良健康影响，铬暴露已成为一个关键问题。为了解决这一挑战，本研究系统地比较了传统的植物修复和纳米植物修复方法，使用Tagetes erecta来增强铬的去除效果。在纳米植物修复方法中，通过绿色合成方法从同一种植物中制备了氧化锌纳米颗粒。分析了多种生化参数，以评估暴露于铬和纳米颗粒时的剂量和时间依赖性变化。使用双因素方差分析（two-way ANOVA）评估了观察到的变化的统计显著性，所有值在p<0.05的条件下都具有统计学意义。此外，这项开创性工作还提供了关于纳米颗粒与参与生化化合物合成和降解的关键酶之间相互作用的理论见解，这些见解是通过使用AutoDock软件进行的分子对接研究得出的。对接研究显示，ZnO纳米颗粒与参与生化化合物合成和降解的酶之间存在强烈的相互作用，这有助于提高植物的植物修复效率。在植物修复条件下，平均铬去除效率为69%。在纳米植物修复中，当ZnO浓度为10 μg/mL时，去除效率最高，达到76.6%；而当纳米颗粒浓度增加到50 μg/mL和100 μg/mL时，铬的去除效率分别降低到约50%和41.8%。这项工作可以为基因改造和先进的修复措施提供参考，以有效且可持续地从水中去除有毒的铬。

引言

铬是一种天然存在的重金属，存在两种稳定的氧化态：三价铬和六价铬（Saha等人，2011年）。三价铬是所有生物体所需的微量必需营养素，而六价铬具有致癌性、致突变性和高毒性（Zhitkovich，2011年）。工业废水主要含有大量的铬，过度使用含铬农药和木材防腐剂也会导致环境污染（Singh等人，2021年）。根据世界卫生组织（WHO）的标准，饮用水中铬的允许限值为0.05–0.1 mg/L。根据D. Karunanidhi等人2021年的研究，地下水中的铬含量为0.01至0.19 mg/L（Karunanidhi等人，2021年）。Mohanty等人在2023年对印度Sukinda山谷进行的案例研究表明，地下水中铬的污染浓度升高到了0.6 mg/L，而地表水中的铬浓度为3.4 mg/L（Mohanty等人，2023年）。Misganaw及其同事在2024年证实，制革厂废水中的三价铬浓度为76至87 mg/L（Misganaw等人，2024年）。在这种情况下，找到可持续且成本效益高的方法来去除各种环境中的铬变得至关重要。

植物修复是从水中去除铬的最环保的方法。可以通过添加纳米颗粒来提高植物修复的效果（Lekshmi等人，2025年）。一种称为纳米植物修复的先进方法增强了植物吸收、转移和将毒素转化为危害较小形式的能力（Sreelatha等人，2024年）。纳米颗粒通过与水中的重金属相互作用，帮助其吸附、还原并转化为危害较小的形式（Kahlon等人，2018年）。纳米颗粒可以增强植物的生长、根系渗透性和根区金属的生物可利用性（Lekshmi等人，2024年）。在压力情况下，植物拥有多种重要的酶（Almeselmani等人，2006年）。这些酶可以改变生化参数（Ganesh等人，2008年）。本研究旨在使用Tagetes erecta比较植物修复和纳米植物修复过程，以有效去除铬。本研究的目标包括从同一种植物中绿色合成ZnO纳米颗粒，并评估ZnO在剂量和时间依赖性条件下的铬吸收增强作用。分析了关键生化参数的变化，以阐明植物的应激反应和修复效率。同时，通过分子对接研究揭示了纳米颗粒与酶之间的相互作用，这些相互作用是改善生化反应和植物修复性能的基础。分子对接研究还分析了参与纳米植物修复过程的多种酶如何与氧化锌纳米颗粒相互作用，以平衡生化参数。这些相互作用可以提高酶的催化效率，减少氧化应激，并促进植物中的金属解毒。因此，AutoDock分析支持实验结果，表明绿色合成的ZnO纳米颗粒可以增强植物（如Tagetes erecta）中的抗氧化酶活性，从而提高铬的吸收和耐受性。这些研究的结果通过统计分析得到了进一步的理论验证。

分子对接研究为研究和预测ZnO纳米颗粒与用于生化化合物合成和降解的酶之间的分子级相互作用过程提供了重要的计算方法（Yuriev和Ramsland，2013年）。对接研究可以通过模拟这些相互作用，提供关于结合亲和力、相互作用位置和潜在构象变化的信息，从而帮助理解纳米颗粒和参与植物系统中化学物质合成和降解的酶的协同效应（Franco和Mesa，2021年）。鉴于此，本研究使用对接分析来检查ZnO纳米颗粒与用于合成和降解碳水化合物和酚类等化学物质的特定植物酶之间的分子相互作用，以阐明这些相互作用可能如何影响植物的生长、防御和植物修复能力。根据Scopus的详细调查，这是首次基于ZnO纳米颗粒与用于合成和降解碳水化合物和酚类等化学物质的植物酶的自对接研究，以提高纳米植物修复效率的报告，通过揭示这些分子级相互作用，该研究提高了对ZnO纳米颗粒如何加速铬降解的理解。这一见解可以指导开发更高效和有针对性的纳米植物修复策略。

所需试剂

K₂Cr₂O₇盐从Sigma Aldrich购买。用于检测植物中的碳水化合物和酚类成分的化学试剂包括HCl、蒽酮试剂、H₂SO₄、Na₂CO₃、葡萄糖、乙醇、Folin-Ciocalteu试剂和儿茶酚，均从Merck购买。进行原子吸收光谱分析时，样品溶解在从Sigma Aldrich购买的冰醋酸（glacial HNO₃）中。

植物修复实验设计

本研究选择的植物是万寿菊，学名为Tagetes erecta Linn.，因其强大的

碳水化合物

使用蒽酮法估算了万寿菊中的碳水化合物含量（Loewus，1952年）。该方法的原理是在酸性条件下，碳水化合物首先被水解成简单糖类，然后进一步降解为糠醛。在酸性介质中，糠醛与蒽酮试剂反应生成蓝绿色复合物，颜色的强度与碳水化合物的浓度成正比。为此，使用了0.5克的植物叶片

生化参数评估结果

我们进行了温室试验，分析了万寿菊的修复效率以及生化参数的变化，这些分析得到了计算机模拟的支持。万寿菊中的碳水化合物和酚类在修复过程中起着关键作用，有助于植物应对压力。碳水化合物是能量的主要来源，有助于绿色植物的生长和发育（Slewinski和Braun，2010年）。碳水化合物是光合作用的主要产物

X射线衍射分析

通过X射线衍射分析确认了合成ZnO纳米颗粒的晶体结构和高相纯度。衍射图谱中的清晰且明显的峰表明了纳米颗粒的良好结晶性。主要衍射峰出现在2θ值为31.80°、34.40°、36.30°、47.60°、56.60°、62.90°、66.40°、68.00°、69.10°、72.60°和77.00°，这些峰与JCPDS卡片No. 36–1451中报告的标准ZnO纤锌矿结构相符。

与3UVF的对接

3UVF是一种存在于产淀粉植物中的酶，其结构类似于水稻颗粒结合的淀粉合成酶1，可合成直链淀粉，并与腺苷二磷酸（ADP）结合。这种酶在植物生长和应激适应中起关键作用，对植物中碳水化合物的生成至关重要（Jacoby等人，2012b）。万寿菊的叶子和根系在其正常的碳水化合物代谢过程中产生和储存淀粉（Zhu和Liao，2017年）。3UVF酶与ALA-404显示出极性相互作用

纳米植物修复过程中万寿菊对铬的吸收

表2显示了在三种不同铬浓度下，第三天和第十五天测得的万寿菊茎、根和叶中的铬吸收量。从第三天到第十五天，铬含量呈时间依赖性增加。铬的积累顺序为根>茎>叶。根中的铬含量最高，表明铬主要在植物根际被吸收或过滤。

结论

植物修复和纳米植物修复研究表明，万寿菊是一种潜在的铬稳定化候选植物。铬吸收结果、转运因子和生物富集因子的证据证明了这些发现。结果表明，铬主要在根部积累，而不是转移到地上部分。这突显了万寿菊将铬限制在地下组织中的天然能力，防止其进一步扩散

CRediT作者贡献声明

S. Lekshmi： C. Raksha： S.Smitha Chandran： Vinod V.T Padil： 撰写——审稿与编辑。Jorge E. Celi： 撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了Amrita Vishwa Vidyapeetham（阿姆里塔大学）的资助