Wen's Research Group​

亮点总结 :

山东建筑大学张志斌教授团队与新泽西理工学院张文教授合作报道了植物修复水体镉污染过程中,空气纳米气泡对空心莲子草吸收及耐受能力的影响,并结合三维荧光技术及平行因子分析研究了空气纳米气泡对植物根际有机物组成的影响。

背景介绍:


水体重金属污染因其持久性成为长期环境问题,而植物修复作为低成本、可持续的重金属修复技术受到越来越多的关注。空心莲子草作为中国常见的,以生长迅速、生命力强和重金属修复能力强而闻名的水生植物,可以应用在植物修复中。纳米气泡是直径为亚微米级的超细气泡,具有许多独特的特性,然而在重金属植物修复中的应用尚未得到广泛的研究。本研究旨在探索纳米气泡在植物修复中的潜在能力,探讨纳米气泡对空心莲子草吸收重金属的影响,为可持续环境恢复工作提供依据,有助于实现UNSDG中“清洁水与卫生”的目标。

文章亮点:

本文发现,稀释的空气纳米气泡(25%浓度)可使空心莲子草对镉的吸收增加17.39%,即使在低水平镉中(0.1mM)也能促进植物生长(25%-50%)并促进光合色素合成(10%-20%)。此外,25%的空气纳米气泡被证明可以显著提高抗氧化酶的活性,如超氧化物歧化酶和过氧化氢酶,同时提高了丙二醛等重要抗氧化剂的水平。这种抗氧化防御系统的活性提高,为植物耐镉毒性潜在的改善和植物整体生长速率的同时提高提供了令人信服的解释。利用三维荧光-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术进行的综合分析显示,由于纳米气泡的存在,根际可溶性有机物的组成发生了改变。这种改变对随后的植物络合过程及镉的吸收放生了影响。这项研究表明,在水系统中有计划的加入空气纳米气泡可能会显著提高植物对镉的解毒能力,并提高植物修复过程中重金属的吸收。


图文解读

Figure 4. The cadmium content in (a) roots, (b) stems and (c) leaves of A. philoxeroides under various treatment of different concentrations of NBs (0, 25, 50, 75 and 100%) combined with different stress levels of cadmium (0, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6 and 1.0 mM) for 30 days. (d) The cadmium distribution in three plant tissues under different exposure conditions. Three asterisks (***) represent a significant difference p <0.001; Four asterisks (****) represent a significant difference p <0.0001.

 图4 在不同浓度空气纳米气泡(0,25,50,75和100%)和不同镉胁迫水平(0,0.1,0.2,0.4,0.6和1.0mM)的各种组合处理下生长30d后,空心莲子草根(a)茎(b)和叶(c)中镉的含量。三个星号(***)代表显著差异p<0.001;四个星号(***)代表显著差异p<0.0001

Figure 5. The content of (a) malondialdehyde and (b) O2·- in roots, stems and leaves of A. philoxeroides treated with different concentrations of NBs (0, 25, 50, 75 and 100%) and different stress levels of cadmium (0, 0.1 and 1.0 mM) for 30 days.

 图5 在不同浓度空气纳米气泡(0,25,50,75和100%)和不同镉胁迫水平(0,0.1和1.0mM)处理下生长30d后,空心莲子草根,茎和叶中丙二醛(a)和O2·-(b)的含量

Figure 7. Principal component analysis analysis of performance of different NBs concentrations (0, 25, 50, 75 and100%) at different cadmium concentration exposure. (a) 0 mM, (b) 0.1 mM, (c) 0.2 mM, (d) 0.4 mM, (e) 0.6 mM and (f) 1.0 mM.

图7 不同浓度空气纳米气泡(0,25,50,75和100%)在不同浓度镉暴露下进行主成分分析。(a)0mM,(b)0.1mM,(c)0.2mM,(d)0.4mM,(e)0.6mM和(f)1.0mM。

植物修复中空气纳米气泡水提升植物对镉的吸收能力与耐受性

第一作者:闫大江1,薛珊2

通讯作者:张志斌1, 张文2

通讯单位:1. 山东建筑大学 2. 新泽西理工学院

论文link:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749123015798

Air Nanobubble Water Improves Plant Uptake and Tolerance toward Cadmium in Phytoremediation

总结与展望:

本研究发现,稀释水悬浮液(原始气泡浓度的25%)中的空气纳米气泡增加了空心莲子草对镉的吸收和耐毒性,使镉吸收平均提高17.39%,这可能归因于四种机制。首先,带负电荷的纳米气泡可以吸引带正电荷的镉,并促进其被植物根系吸收。其次,适当浓度的空气纳米气泡(25%)产生中等水平的•OH自由基,这可能导致了植物干细胞的更新和分化,而不是诱导细胞氧化应激。此外,抗氧化酶和各种抗氧化剂如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性增加,从而减轻了镉暴露和吸收引起的氧化应激或损伤。第四,空气纳米气泡的存在刺激了根际可溶性有机物的产生,从而增强了对镉的吸收或提高了植物对镉的耐受性。因此,将这种新型纳米气泡技术与空气纳米气泡灌溉相结合,有助于植物修复的实践。尽管观察到的机制可以应用于所有修复植物,但不同纳米气泡对不同植物和不同重金属的协同作用仍然值得研究。此外,除了空气纳米气泡,还可以探索其他常见类型的纳米气泡,如氢和氮,因为它们在水中具有不同的化学性质,从而可能对重金属吸收和植物反应产生有趣的影响。在这项研究中,我们对植物的抗氧化系统进行了广泛的研究。然而,代谢机制、转录机制、调控机制等方面仍不清楚,这为未来的研究提供了令人兴奋的目标。

作者团队介绍 (或第一作者/通讯作者介绍)

第一作者:闫大江,在山东建筑大学市政与环境工程学院张志斌教授研究组攻读硕士学位,主要研究方向为底泥重金属的植物修复。

共一作者:薛珊 (Shan Xue) 博士2023年毕业于新泽西理工学院(New Jersey Institute of Technology)土木与环境工程系张文教授课题组。目前她继续在张文教授课题组从事博士后研究,具体包括 (1) 纳米气泡在水和其他液体介质中的胶体行为和特性;(2)纳米气泡在农业中的应用,研究纳米气泡促进植物的生长机理, 推动生态友好和精准农业实践;以及(3)纳米气泡在土壤修复中的应用。联系邮箱:sx59@njit.edu

张志斌,博士生导师,现任职于山东建筑大学。主要研究方向为“污染底泥修复技术”。山东省泰山学者特聘教授、山东省有突出贡献的中青年专家。

张文,博士生导师,张文教授就职于新泽西理工大学(New Jersey Institute of Technology)纽瓦克工程学院John A. Reif, Jr.土木与环境系以及该校化学与材料工程系。他的主要研究方向包括功能纳米材料、反应性膜分离技术,纳米气泡技术等。其中张博士团队近些年致力于推动可持续农业浇灌和食品消毒技术的开发并获得美国农业部和环保部等的相关项目资助。

Figure 2. Effect of air NBs with different concentrations (0, 25, 50, 75 and 100%) on different biomass growth of the roots (a), stems (b), and leaves (c) of A. philoxeroides grown under different stress levels of cadmium (0, 0.1 and 1.0 mM). Three asterisks (***) represent a significant difference p <0.001; Four asterisks (****) represent a significant difference p <0.0001.

图2不同浓度空气纳米气泡(0,25,50,75和100%)对不同镉胁迫水平(0,0.1和1.0mM)下空心莲子草根(a)茎(b)和叶(c)的生物量增长的影响。三个星号(***)代表显著差异p<0.001;四个星号(***)代表显著差异p<0.0001。

Figure 8. The plots show the changes of fluorescence intensities for four components under different concentrations of NBs (0, 25, 50, 75 and 100%) and different stress levels of cadmium (0, 0.1 and 1.0 mM) for 30 days.

图8 本图显示了四种组分在不同浓度空气纳米气泡(0,25,50,75和100%)和不同镉胁迫水平(0,0.1和1.0mM)处理下生长30d后荧光强度的变化。

Air Nanobubble Water Improves Plant Uptake and Tolerance toward Cadmium in Phytoremediation

Abstract

文章摘要

山东建筑大学市政与环境工程学院张志斌教授课题组与新泽西理工大学土木与环境工程系张文教授课题组近期于Environmental Pollution发表研究论文,报道了水中空气纳米气泡对空心莲子草吸收重金属能力的影响。空心莲子草是中国常见的水生植物,以生长迅速、生命力强和重金属修复能力强而闻名。本研究发现,稀释的空气纳米气泡(25%浓度)可使空心莲子草对镉的吸收增加17.39%,即使在低水平镉中(0.1mM)也能促进植物生长(25%-50%)并促进光合色素合成(10%-20%)。此外,25%的空气纳米气泡被证明可以显著提高抗氧化酶的活性,如超氧化物歧化酶和过氧化氢酶,同时提高了丙二醛等重要抗氧化剂的水平。这种抗氧化防御系统的活性提高,为植物耐镉毒性潜在的改善和植物整体生长速率的同时提高提供了令人信服的解释。值得注意的是,利用三维荧光-平行因子分析(EEM-PARAFAC)技术进行的综合分析显示,由于纳米气泡的存在,根际可溶性有机物的组成发生了改变。这种改变对随后的植物络合过程及镉的吸收放生了影响。这项研究表明,在水系统中有计划的加入空气纳米气泡可能会显著提高植物对镉的解毒能力,并提高植物修复过程中重金属的吸收。

Figure 6. The activity of (a) superoxide dismutase, (b) catalase, (c) peroxidase, (d) ascorbate peroxidase and the content of (e) glutathione and (f) ascorbic acid in roots, stems and leaves of A. philoxeroides was treated with different concentrations of NBs (0, 25, 50, 75 and 100%) and different stress levels of cadmium (0, 0.1 and 1.0 mM) for 30 days.

图6 在不同浓度空气纳米气泡(0,25,50,75和100%)和不同镉胁迫水平(0,0.1和1.0mM)处理下生长30d后,空心莲子草根,茎和叶中超氧化物歧化酶(a)、过氧化氢酶(b)、过氧化物酶(c)、抗坏血酸过氧化物酶(d)的活性以及谷胱甘肽(e)和抗坏血酸(f)的含量。

Figure 3. Effect of air NBs with different concentrations (0, 25, 50, 75 and 100%) on Chl a (a), Chl b (b), total Chl (c) and carotenoids (d) in the leaves of A.philoxeroides grown under different exposure levels of cadmium (0, 0.1 and 1.0 mM). Three asterisks (***) represent a significant difference p <0.001; Four asterisks (****) represent a significant difference p <0.0001.


图3 不同浓度空气纳米气泡(0,25,50,75和100%)对不同镉胁迫水平(0,0.1和1.0mM)下空心莲子草叶片中叶绿素a(a),叶绿素b(b),总叶绿素(c)和类胡萝卜素(d)的影响。三个星号(***)代表显著差异p<0.001;四个星号(***)代表显著差异p<0.0001。

Figure 1. (a) A typical plot of bubble size distribution of the produced NBs (100%) in deionized water. The inset is the zeta potential data for air NBs at different diluted concentrations and solution pH. (b) Major water quality parameters in the nutrient medium and their changes over time after blending with different concentrations of NBs (i.e., 0, 25, 50, 75 and 100%).


图1(a)去离子水中产生的纳米气泡(100%)尺寸分布图。插图为不同稀释浓度与溶液pH下空气纳米气泡的zeta电位。(b)培养基与不同浓度纳米气泡(0,25,50,75和100%)混合后,主要水质参数随时间的变化。

Heavy metal contamination continues to be a persistent environmental problem. To address this issue, this study evaluated the impact of air nanobubbles (NBs) in water on the uptake of heavy metals by Alternanthera philoxeroides (A. philoxeroides), a common aquatic plant in China known for its rapid growth, strong vitality, and high capacity for heavy metal remediation. This study found that diluted air NBs (25% concentration) boosted cadmium uptake of A. philoxeroides by 17.39%. They also enhanced growth (25-50%) and photosynthetic pigments (10-20%) even at low cadmium levels (0.1mM). Furthermore, the incorporation of 25% air NBs has been demonstrated to significantly amplify the performance of key antioxidant enzymes, such as superoxide dismutase and catalase, alongside heightened levels of crucial antioxidants such as malondialdehyde. This heightened activity of antioxidant defenses offers a compelling explanation for the potential amelioration of cadmium toxicity and concurrent enhancements in overall plant growth rates. Notably, a comprehensive analysis utilizing the excitation emission matrix–parallel factor analysis (EEM-PARAFAC) technique has revealed alterations in the composition of rhizosphere dissolved organic matter due to the presence of NBs. This alteration in rhizosphere dissolved organic matter composition has subsequently exerted an influence on plant complexation processes and the subsequent uptake of cadmium. This study demonstrates that the strategic implementation of air NBs in water systems holds the potential to significantly enhance the plant's ability to detoxify cadmium and improve the uptake of heavy metals during phytoremediation processes.

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Wen Zhang, Ph.D., P.E., BCEE

Principal Investigator
Professor

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