【专家视角】西湖大学张岩岩和王蕾团队Nature Communications｜植物修复实现P...

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（来源：生态修复网）

文章信息

第一作者：郭心雨

通讯作者：张岩岩，王蕾 研究员

通讯单位：西湖大学

https://www.nature.com/articles/s41467-025-65191-3

亮点

• 率先筛选并证实月见草（Oenothera rosea）为PFAS超积累植物，解析了其体内积累特征与主要结合位点，并借助转录组学揭示了其超积累的分子调控机制。

• 通过全生命周期评估，验证了“土壤PFAS植物修复-生物质资源化利用”耦合模式的可持续性。

• 构建了一套从PFAS超积累植物筛选、机理解析、安全处置到可持续应用的完整研究与应用框架。

成果简介

在全球环境治理领域，全氟化合物（PFAS）的污染问题因其持久性和多种健康危害备受关注。这类被称为“永久性化学品”的物质，广泛应用于工业生产和日常生活，但其稳定的化学结构导致传统治理方法面临能耗高、成本大、难以推广的困境。近期，西湖大学张岩岩和王蕾团队发现草本植物月见草对多种PFAS具有显著富集能力，并据此发展出从污染修复到安全处置的可持续技术路径，为破解PFAS治理难题提供了新思路。相关成果以《Identification of a PFAS hyperaccumulator and elucidation of its translocation mechanism for sustainable phytoremediation》为题发表于国际期刊《Nature Communications》。

图1 本研究提出的PFAS污染土壤植物修复的技术框架

“永久性”难题：为何PFAS治理如此棘手？

要理解这项突破的意义，首先需要认识什么是PFAS。这类物质中的碳-氟键极为稳固，使其具备卓越的抗油、防水、耐高温等特性，因而被广泛应用于食品包装材料、航空航天、半导体制造等工业与消费领域。然而，这种“永久性”也带来沉重的环境代价。PFAS在自然环境中难以降解，会长期残留在土壤、地下水及生物体内。已有大量研究表明，PFAS暴露可导致癌症、甲状腺功能异常、内分泌紊乱等多种疾病，严重威胁生态系统和公共安全。

现有治理技术如高温焚烧、填埋和化学洗脱，虽有一定效果，但普遍能耗大、成本高、易产生二次污染，且难以应对大面积场地修复。因此，发展绿色、低成本、可规模化推广的修复技术，已成为学界与工业界的共同目标。

自然的启示：植物修复技术的潜力与瓶颈

面对化学与工程方法的局限，科学家转向自然本身，开发出植物修复技术。该技术利用植物及其共生微生物系统，通过吸收、降解或固定等方式清除污染物，实现原位净化。这种“以自然之道，还治自然之身”的方式具备多重优势：成本低、不破坏土壤生态、环境友好且兼具美学价值，理论上非常适用于大范围、中低浓度污染场地的治理。

然而，实现该技术理想效果的关键在于超积累植物——它们是植物界的“特种部队”，能大量吸收污染物并转移至茎叶中富集，同时自身不受毒害。过去几十年，科学家已发现可超积累砷、镉、镍等重金属的植物并投入实践。但在PFAS这一新污染物研究领域，缺乏公认高效的超积累植物，成为制约该技术应用的最大瓶颈。

转机出现在对中国东部一家氟化工园区周边的环境筛查中。研究团队在对工厂附近生长的多种原生植物进行采样分析时，一种常见草本植物—月见草，其PFAS检测数据引起了研究人员的极大关注。

图2 氟化工园区周边植物不同部位的PFAS含量和组成

研究结果显示，对于现场土壤中检测出的18种传统及新型PFAS，月见草表现出叶片积累因子（LCF）> 10 且 转运因子（TF）> 3 的卓越性能。这意味着，它不仅将土壤中的PFAS“打包”带入了自身体内，更高效地将其“运送”到了易于收割的地上部分。这一综合表现，完全符合学术界对超积累植物的定义标准，标志着PFAS污染土壤的植物修复技术迎来了一个极具潜力的候选者。

图3 植物体内PFAS的生物富集因子与构效关系

揭秘机制：PFAS在月见草体内的“旅程”

进一步，研究团队从组织、细胞和分子层面深入探索了PFAS在月见草体内的“旅程”。关键发现指向植物根部的细胞壁。细胞壁作为植物细胞的“骨架”与“外墙”，是由多糖和木质素等构成的结构，其中果胶和半纤维素被证实为是PFAS的主要结合位点——像“钩子”一样牢牢捕获PFAS分子。

图4 超积累植物月见草体内PFAS结合位点解析

那么，PFAS又是如何突破根部的“封锁”，被成功转运到叶片中的呢？为此，研究团队不仅研究了污染区具有超积累能力的月见草（简称HOR），还从背景地区采集了同种但不具备超积累能力的月见草（简称NOR）作为对照。实验结果显示，在PFAS胁迫下，NOR根部有数千个基因被“唤醒”，其中大量基因与细胞壁的合成与修饰相关，呈现出一片如临大敌的“繁忙景象”。而HOR的基因表达则异常“平静”，仅有数百个基因发生改变，那些与细胞壁合成相关的基因更是基本保持“沉默”。这种基因层面的“低响应”状态，恰恰是HOR在长期环境驯化中获得的超能力。它意味着HOR已经适应了PFAS环境，无需启动防御程序，而这条畅通无阻的向上运输通道，最终实现了更高效地将污染物从根转运至茎叶。

图5 超积累植物月见草对PFAS的积累转运机制

当然，除了细胞壁调控这一关键环节，月见草的超积累机制可能还涉及更复杂的协同过程，例如共质体运输增强和木质部装载提高等，这些都将成为未来深入研究的方向。

闭环设计：从污染植物到安全产物的“最后一公里”

成功的植物修复必须解决“后顾之忧”：收割下来的、富含高浓度PFAS的植物生物质该如何处理？如果简单堆肥或填埋，将导致污染物的二次释放，前功尽弃。研究团队给出了答案：热解技术。他们将收获的月见草地上部分进行高温热解，将其转化为生物炭。实验证明，这一过程能够彻底分解（去除率>99.2%）植物中积累的PFAS， 产生的生物炭性质稳定，实现了废物的资源化利用。

绿色评估：用数据衡量技术的可持续性

为了客观评估该策略的环境友好性，研究团队采用了国际通用的全生命周期评价（LCA） 方法，对“月见草植物修复+热解处置”全链条的环境排放及能源消耗进行了量化分析，并将其与传统的土壤物化修复技术进行对比。

图6 超积累植物月见草的生物质热解及其修复技术的全生命周期评价

LCA结果清晰地表明，这一新型植物修复组合策略，在能源消耗、温室气体排放及整体环境足迹等多个维度，均显著低于传统修复方法。这从科学数据上印证了该技术路线的可持续性与绿色优势，为其未来的大规模应用提供了坚实的环境效益依据。

结语

这项研究的价值在于它系统地完成了一项应用导向型科研的全流程：从现象发现，到机理探索，再到技术集成，最后通过体系评估验证了其可持续性。它不仅仅是提供了一种发现PFAS超积累植物的思路，更重要的是，它展示了一个从污染治理到最终处置的、完整且环境友好的解决方案框架。

尽管这项研究取得了重要突破，但研究团队指出，要将植物修复技术广泛应用于实际环境治理，仍需在多个方向持续探索：在全球更多样的污染场地中系统寻找和验证超积累植物资源；深入解析植物体内PFAS吸收、转运和积累的完整机制，不局限于根系过程；同时，通过遗传改良和微生物协同等策略，提高修复植物的生物量与效率；并开发更绿色、低能耗的植物资源化处置技术。

科学探索的终点，最终与自然智慧的开端不期而遇。当人为的永久性化学品困扰我们数十年之后，解决问题的线索并非来自实验室的高能耗反应器，而是悄然生长在污染区边缘的一株粉红色小花之中。

西湖大学工学院博士后郭心雨为本文第一作者，西湖大学工学院王蕾研究员和张岩岩研究员为本文通讯作者。本研究得到了浙江省“尖兵领雁+X”研发攻关计划、国家自然科学基金和西湖大学未来产业研究中心的资助。西湖大学物理科学公共实验平台、分子科学公共实验平台以及高性能计算中心提供了大力的支持。

产业应用与合作。我国作为全氟化合物（PFAS）的最大生产与消费国，面临着严峻的环境污染挑战。然而，PFAS作为氟化工、新能源、半导体、医药等高新技术领域不可或缺的关键化学品，其需求量仍在持续增长。为遏制污染进一步加剧，推动氟化工产业绿色转型，并提升我国履行国际环境协议的能力，亟需系统推进PFAS的治理工作。

张岩岩研究员团队专注于PFAS的降解机理与污染控制研究。该团队结合高分辨质谱分析与量子化学计算，系统探索多种PFAS结构的全脱氟降解机制及污染修复技术，揭示关键官能团对反应活性及降解路径的调控规律。王蕾研究员团队开发生物质基PFAS高效富集材料，为PFAS“富集-降解”源头控制技术提供新材料。同时，双方积极与国际水务公司及国内氟化工龙头企业开展合作，致力于推进面向产业化的治理修复技术的小试与中试应用，为PFAS污染控制提供可行路径与技术支撑。

作者介绍

郭心雨，西湖大学工学院博士后，研究方向为新污染物的环境行为与治理修复。以第一作者身份在Nat. Commun.，J. Hazard. Mater.等期刊发表学术论文7篇，以共同作者身份发表学术论文20余篇，主持国家自然科学基金青年项目，获西湖大学优秀博士后荣誉。

张岩岩，西湖大学特聘研究员，独立PI，博士生导师，新污染物降解与质谱分析实验室负责人。致力于结合质谱分析和理论计算，研究含氟新污染物的降解机理、低成本修复、绿色源头替代与风险效应。在Nat. Water，Nat. Commun.，Environ. Sci. Technol.等期刊共发表学术论文60余篇，主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、浙江省自然科学基金重点项目、浙江省“领雁”研发攻关计划课题等; 担任ES&T 青年编委、npj Emerging Contaminants期刊副主编。

实验室网站：

https://environ-chem.lab.westlake.edu.cn/index.htm

个人主页：

https://www.westlake.edu.cn/faculty/yanyan-zhang.html

王蕾，西湖大学特聘研究员，独立PI，博士生导师。以绿色化学技术为手段、可持续性评价为指导，开发新型绿色溶剂体系、工艺与系统评价方法，在生物质组分分离和高值化利用等关键领域取得一系列原创突破性成果。近五年来在绿色化学、能源和材料领域国际权威期刊发表通讯作者论文40余篇，包括Nature Food，Science Advances，Nature Communications，Nano Letters，Green Chemistry等，授权发明专利 4 项。主持国家基金委面上项目、国家重点研发计划重点专项项目课题、浙江省重点研发计划“尖兵”“领雁”项目等；担任ACS Sustainable Chemistry & Engineering 副主编。

实验室网站：

https://bem.lab.westlake.edu.cn/

个人主页：

https://www.westlake.edu.cn/faculty/lei-wang.html

文章来源：生态环境科学

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