首次！野外实验让转基因植物修复因军用炸药RDX污染的土壤

RDX是二战期间由英国研制成功，其威力是TNT的1.5倍。黑索金（Hexogen，通用符号RDX），化学名为环三亚甲基三硝胺，又名为旋风炸药。化学式为C3H6N6O6，遇明火、高温、震动、撞击、磨擦能引起燃烧爆炸，是一种爆炸力极强大的烈性炸药，比TNT猛烈1.5倍。但是RDX是一种危险的污染物，会渗入到土壤和饮用水中。20世纪80年代，美国进行了一系列到长期试验，表明RDX会使小鼠致癌。其中在炸弹制造厂和测试范围内，RDX蔓延到土壤和地下水中。如何修复因RDX污染的土壤和水，至今都缺乏经济有效且可持续的解决方案。

2021年5月，Nature Biotechnology杂志在线发表了来自Neil C.Bruce等人题为“Field trial demonstrating phytoremediation of the military explosive RDX by XplA/XplB-expressing switchgrass”的研究论文，该研究在柳枝稷植物中表达两个RDX降解酶基因XplA/XplB，并在三个军事场所地点进行了三年野外试验，其结果显示表达XplA/XplB的柳枝稷是能有效修复因RDX污染的土壤，可防止军事范围内的地下水受到污染。

传统对RDX污染的土壤补救方法，例如填埋、焚化或高级氧化，更适合清理时间短（<3年）且总成本相对较低的小规模和高污染地区。据美国国防部估计仅使用当前可用的方法进行有效范围的修复，将花费160亿至1650亿美元之间。为了应对这一修复挑战，必须对新颖，具有成本效益的技术进行测试。

该课题组之前研究报道从土壤中分离出了具有降解RDX能力的细菌Rhodococcus rhodochrous 11Y，然后通过筛选得到负责RDX降解的两个酶xplA和xplB，其分别编码的独特VI类细胞色素P450 XplA和伴随的黄素氧还蛋白还原酶XplB。XplA/XplB系统在有氧条件下催化RDX的还原脱硝反应，形成4-硝基-2,4-二氮杂丁醛（NDAB），在无氧条件下形成亚甲基二乙胺（MEDINA）。尽管MEDINA转化为甲醛和一氧化二氮（可在土壤中矿化的产品），但从受RDX污染的土壤中检测到有氧产物NDAB。之后，基于实验室土壤的研究中证明了转化XplA/XplB的拟南芥植物能够从土壤渗滤液除去RDX，并分解为惰性的天然植物代谢产物，然后将其掺入植物中，而无需收获植物即可从现场去除污染的物质。

该研究 为了将RDX降解技术转化为野外真正能作用，将包含xplA和xplB的载体转化到柳枝稷植物中，然后将这些植物种植在美国军事基地的RDX污染土壤中。之后对土壤的实验研究表明，表达XplA / XplB的柳枝稷比未转化的植物能够更快地从土壤渗滤液中去除RDX。野生型植物最初能够阻止RDX的浸出。但是，由于RDX在叶片中积累，吸收下降，表明植物已被RDX饱和。此外，野生型植物每克组织积累的RDX高达0.058 mg，但在表达XplA/XplB的品系中未检测到RDX。

此外， 在过去的三年中，从TG地块抽出的多余水中RDX的浓度始终小于NPC或WT地块。在2018年的生长季节中，从表达XplA/XplB的柳枝稷种植的地块中抽出的水比从NPC地块中抽出的水所含RDX明显少（P = 0.015），并计算出XplA/XplB表达植物的RDX去除率为27 kg/ha。

综上所述，该研究证明表达XplA/XplB的柳枝稷是从军方中修复RDX的有效工具。该研究是在现场使用转基因植物通过降解有机污染物来修复土壤的第一个成功实例。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-021-00909-4.pdf

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