论文精选 | 改善土壤健康和可持续农业的砷修复生物技术策略

土壤与环境健康SEH · 公众号 · · 2025-04-01 20:30

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导读

印度CSIR国家植物研究所Rudra Deo Tripathi团队在Soil & Environmental Health（SEH，《土壤与环境健康》）期刊发表题为“改善土壤健康和可持续农业的砷修复生物技术战略（Biotechnological strategies for remediation of arsenic-contaminated soils to improve soil health and sustainable agriculture; 2024, 2(1): 100061）”的综述论文。

农业土壤的有害重金属污染是一个重要的环境和健康问题。其中， 砷（As）污染会引起土壤结构变化，严重危害土壤健康，是环境和农业可持续发展的关键问题 。保护土壤健康对于应对全球砷污染挑战至关重要。传统的理化修复技术成本高、缺乏特异性，还会扰乱土壤的微环境。而 生物修复利用天然或转基因生物来清理环境有毒污染物 ，兼具成本效益和环保，还可以促进植物净化受污染的环境，给推进土壤砷修复带来了新希望。本研究探讨了砷对土壤健康的影响，重点梳理了目前先进的生物修复策略及其机制，以期实现联合国颁布的可持续发展目标，对未来潜在的砷修复方向提出了见解。

图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

全球超过107个国家均报告了土壤砷污染。研究显示砷污染会引起 土壤结构变化，干扰养分自然循环，降低负责养分转化的微生物的数量和活性，并阻碍植物利用 。此外，它还会影响附近水体和生态系统。微生物是公认的一种安全、环保有效去除土壤砷的方法。研究显示微生物介导的砷修复过程主要包括一系列代谢活动，如 吸收、氧化/还原、生物吸附和累积、甲基化和挥发 （图1），最后将五价砷 (V) 转化为三价砷 (III) 或甲基化为有机化合物，降低毒性并防止其在土壤中积累。

图1 砷生物修复的微生物胞内解毒过程及其相关途径的总结

多年来，砷污染的土壤生物修复策略取得了多方面进展（图2），其未来在于① 转基因微生物和植物 ：通过修改生物体的基因组成，构建特异性微生物和植物，使其能够在复杂恶劣的环境中依旧发挥修复剂的作用。严格选择微生物和植物组合，为修复土壤砷和促进可持续农业提供了有力的工具。② 基因组编辑技术 ：如CRISPR/Cas9和CRISPR/Cpf1，实现了微生物中关键靶基因的修饰，整合植物和微生物基因组中的所需变化，提高了农艺质量和植物修复效率。③ 纳米技术的创新使用 ：如纳米级零价铁（nZVI）可以促进砷转变为低毒形式，稳定的纳米颗粒能直接去除污染区域的环境污染物。然而上述策略需要考虑其对土壤砷的特异性及其技术方法成本，此外，安全性和长期稳定性也值得进一步关注。

图2 砷生物修复的先进分子生物学和纳米技术方法

总结与展望

本综述揭示了砷污染对土壤健康的多方面影响、微生物的修复作用以及先进的生物技术方法及其局限性。尽管最近土壤砷修复在生物技术应用方面取得了重大进展，但植物修复的全部潜力尚未被充分利用，综合生物技术方法的商业化也需要进一步发展。此外，植物修复与生物能源的结合，生物技术和计算机建模系统的集成对于解决全球砷污染的未来研究和缓解工作至关重要。继续探索新一代用于土壤砷修复的生物技术，能够为克服砷污染，以保障食品安全和人类福祉带来希望。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.seh.2024.100061

作者简介

第一作者简介：

Reshu Chauhan ，印度CSIR -国家植物研究所在读博士。目前的研究主要集中重金属和类金属对农作物的污染和作用机制途径。

通讯作者简介：

Rudra Deo Tripathi ，印度CSIR -国家植物研究所名誉科学家和名誉教授，于2023年荣获印度植物科学和农学领袖奖，研究方向涵盖植物生理学与环境生物技术/环境科学/重金属和类金属（尤其是砷）的植物修复。

期刊介绍

Soil & Environmental Health是由朱利中院士、朱永官院士和马奇英教授担任主编、浙江大学与Elsevier合作出版的全英文开放获取国际学术期刊。自2022年12月以来，期刊出版了来自19个国家的78篇优秀文章；期刊CiteScoreTracker 2024 为6.2，目前已被DOAJ、Scopus和CAS数据库收录。