环保酵素对植物体内ABC蛋白影响的研究进展

Research Progress on the Effects of Eco-Enzymes on ABC Proteins in Plants

摘要: 环保酵素因其丰富的微生物含量和多种有益酶的活性，使其具有深度研究的意义。环保酵素在污水处理，医疗运用、土壤治理等方面都有杰出的作用，但是环保酵素直接作用于植物，即植物如何从土壤中的环保酵素获得有效成分进入体内，在植物体内作用于各个器官的研究尚不明确。本文通过国内外相关研究探讨环保酵素的理化性质和微生物菌群，可能作用与植物体内的分子路线，如环保酵素提高土壤氮含量，通过ABC蛋白转运，进入三羧酸循环，为植物提供能量；环保酵素微生物菌群通过与重金属螯合，抑制ABC蛋白对重金属的吸收。

Abstract: Environmental enzymes are of great significance for in-depth research because of their rich microbial content and the activities of a variety of beneficial enzymes. Environmental enzymes have outstanding effects in sewage treatment, medical application, soil management, etc., but environmental enzymes directly act on plants, that is, how plants obtain active ingredients from environmental enzymes in the soil into the body, and act on various organs in plants. Research is unclear. This paper discusses the physicochemical properties and microbial flora of environmental enzymes through relevant research at home and abroad, which may act on the molecular routes in plants. For example, environmental enzymes increase soil nitrogen content, and are transported through ABC protein to enter the tricarboxylic acid cycle to provide energy for plants; eco-enzyme microbial flora inhibits the absorption of heavy metals by ABC proteins by chelating with heavy metals.

1. 引言

环保酵素(Garbage enzyme)是一种由红糖，水果或者果皮进行不同的比例(红糖:水果:水 = 1:3:10)发酵三个月得到的多用途活性发酵液，呈深褐色，有强烈的甜酸发酵气味。环保酵素中含有丰富的活性物质：① 特定的生物菌功能菌，硝化菌，耐酸菌，纤维素降解酶等。② 具有高活性的酸类物质，酒石酸，乳酸，乙醇酸等。③ 功能丰富的微生物，醋酸菌，乳酸菌，酵母菌等，未检测到有害菌群如金黄色葡萄球菌，沙门氏菌等 [1]。因此环保酵素在医学，农业，食品，废水处理以及家庭中都有广泛应用，并且由于环保酵素的简单易制作，成本低廉，无毒无害，在日常生活和医学发展中逐渐占据一席之位 [2]。

Figure 1. Application of eco-friendly enzymes

图1. 环保酵素的应用

环保酵素在各个方面具有杰出的作用(见图1)，在作为化肥进行堆肥，为植物提供营养物质，促进植物生长方面尤为突出，其中包括药用型植物丹参，铁皮石斛等都进行过生理生化指标的测定 [3] [4]，如环保酵素对丹参的有效物质积累方面有显著成效，使丹参酮的含量增加40.08%；并且能够降低有害物质镉的积累，使丹参体内镉的吸收速率降低5.84%~37.90%。然而环保酵素对植物生长产生影响的分子生物学机制方面没有过多的被关注。

ABC蛋白即ATP结合盒式蛋白(ATP-binding cassette transporter, ABC)是一种普遍存在与动物，植物，微生物体内的转运蛋白，抑制ABC蛋白的表达，可以引起各种不良反应。在模式生物拟南芥中，ABC蛋白分为8个亚家族：ABCA-ABCH，分别具有不同的作用 [5]。本文将主要就环保酵素作用于植物是否会对ABC蛋白产生影响方面开展探索性推测研究。

2. 环保酵素的研究进展

2.1. 环保酵素理化性质研究进展

环保酵素含有丰富的有益微生物，多种有机养分和天然植物激素以及多种活性物质。这些成分种类丰富，含量各异，形成的理化性质研究的并不透彻。

2013年Nazim等 [6] 检测环保酵素的理化参数，包括酚类化合物，氯化物等，随后2015年Arun等 [7]，2019年Aishwarya等 [8] 也相继开始检测环保酵素中各项指标，从而得出环保酵素的微生物活性和其他理化参数(见表1)。由表1可知环保酵素溶解性总固体(TDS)的含量从2013年2210 mg/L，2015年的3910 mg/L到2019年1021 mg/L，TDS总体含量呈现降低趋势，TDS可以反映环保酵素发酵后，溶液中溶解的有机盐和无机盐的浓度，如果有机盐和无机盐的浓度过高，会破坏土壤的理化性质平衡；蒸发总残留物(TS)上升，生物需氧量(BOD₅)没有发生较大变化，环保酵素的工艺手段不断提升；硫酸盐和磷酸盐能够还原细菌，如脱硫弧菌脱硫剂，具有将硫酸盐转化为硫酸氢的能力，然后与镉和锌等重金属反应形成这些金属硫化物的不溶形式，降低土壤中重金属的含量。

Table 1. Physicochemical properties of environmental enzymes

表1. 环保酵素理化性质参数

注：表格数据来源于2019年Bioresource Technology。

国内自2017年才有论文正式研究环保酵素的理化性质，蔡毅飞等 [8] 通过研究环保酵素的发酵过程，检测环保酵素的pH和电导率。可知环保酵素pH值随着发酵时间不断降低，最终保持在3.0~4.0之间，与2013年Nazim，2015年Arun和2019年Aishwarya检测结果相同；电导率通常用来表示水的纯净度，测量环保酵素电导率的变化，可以监测还原糖含量的变化，从而控制发酵时间。电导率在发酵过程中一般呈现先下降后上升直至平稳的趋势。

2.2. 环保酵素中金属含量的研究进展

环保酵素中重金属镉(Cd)，锰(Mn)，铅(Zn)的含量较低，因此植物不会进行体内重金属富集和对植物进行胁迫作用，重金属会驱逐生物分子中的重要成分，阻碍分子的功能并改变酶，蛋白质或膜转运蛋白的结构或功能，从而对植物产生毒性。

铁(Fe)，镁(Mg)等金属含量高，能够给微生物提供合适的生活环境。铁是植物新陈代谢所需的必需营养素之一，根际细菌通过用细菌铁载体溶解弱溶解的营养物质或通过分泌酸性有机化合物降低pH值来增强植物生长，如果它在土壤中缺乏，铁载体只能由植物产生；镁参与植物光合反应，镁过低，植物营养不良，严重时会造成植物死亡。因此环保酵素中的铁，镁等元素有助于微生物和细胞的存活，促进植物的生长和发育 [9]。

2020年胡月 [10] 用不同种类的蔬果制作环保酵素，经过6个月的发酵后，测量镁元素的含量，其中用菠菜为原料制作的环保酵素镁元素含量最高，用火龙果为原料制作的环保酵素镁元素含量最低；经过12个月发酵后，菠菜为原料制作的环保酵素镁元素含量最高，油菜为原料制作的环保酵素含量最低；经过15个月发酵，菠菜为原料制作的环保酵素镁元素含量依然最高，油菜为原料制作的环保酵素含量最低。

2.3. 环保酵素中氮，磷，钾元素含量的研究进展

环保酵素制作过程中并未添加大量的氮，磷，钾元素，主要是通过微生物的转化，提高环保酵素中氮磷钾的含量，可以安全无毒的为土壤提供氮磷钾元素，并且不会破坏土壤的元素平衡和造成土壤盐碱化。

植物种植在施加氮肥料的土壤中，能够提高植物蛋白质等多种营养物质含量。2016年李方志等 [11] 用丢弃水果皮制作的环保酵素浇灌浓度为750 ug/L时，土壤中全氮含量最适宜植物生存，此时植物的叶片比空白组氮磷钾等营养元素含量上升。

早期对植物施加磷肥，可以促进植物生长，增加植物产量，若缺少磷，即使后期提高磷肥，也不能增加植物产量。2016年普燕爽 [12] 通过对朝天椒浇灌不同梯度的环保酵素，也可以得知用丢弃水果皮制作的环保酵素浇灌浓度为750 ug/L时，土壤中有效磷和全磷的含量总体大于对照组不施肥区和实验组施肥区，能够促进植物生长。

3. 环保酵素作用于植物途径的研究进展

3.1. 环保酵素的理化性质对植物产生影响的研究进展

环保酵素具有分解和催化功能，已经广泛用于废水处理、重金属积累以及生物堆肥作用。环保酵素因其理化性质，还对于某些植物体内对于重金属的吸收有抑制作用，环保酵素中微生物成分对植物的影响作用研究进展，如丹参(见图2)，2020年Xuemin Wei [4] 探讨微生物制剂和环保酵素作用下丹参对于镉的吸收作用，生物活性化合物的积累和微生物群落组成的影响。研究发现微生物制剂(MI)、环保酵素(GE)和两者混合处理组(MIGE)均与对照组相比，镉的含量降低，并且三组根鲜重和干重的生物量未有较大变化；除此之外，与对照组相比，微生物制剂能够最大效果提高总丹参酸的含量，其次是环保酵素处理组，混合处理也有小范围的提高；宏基因组分析表明，微生物制剂、环保酵素均含有变形杆菌、放线菌、酸杆菌、氯胶菌、拟杆菌、宝石单胞菌、厚壁菌、疣状结肠菌和单胞菌。除此之外，与重金属生物修复相关的土壤微生物的丰度也发生了变化，与对照组相比，处理组的短杆菌属、曲霉菌属等都有显著增加。

Figure 2. Abundance map of bacteria (A) and fungi (B) in eco-enzymes

图2. 环保酵素中细菌(A)和真菌(B)的丰度图

2021年junfeng W [13] 将微生物制剂每周八次接种到玉米根系中，通过植物和微生物的酸溶性和络合效应将镉从不溶性部分转化为生物可利用部分，让作物吸收。与未接种的相比，接种微生物制剂显著提高了玉米的株高和生物量。经研究属于微生物制剂的杆菌，杆菌产生抗菌物质如吲哚乙酸等，抑制有害微生物的生长，并在根际中富集更多的植物生长因子促进根系复合物的形成(见图3)。除此之外，与对照组相比，接种处理的玉米光合效率也高于未接种处理组。

2019年韩剑宏等 [14] 研究环保酵素对碱性土地的改良作用，发现环保酵素的pH值通常在3.0~4.0之间，将环保酵素作为生物肥料灌溉，能够有效减轻土壤的碱化度。中国大部分土地都有盐碱化的趋势，主要原因可能是碱性化肥的滥用，即使化肥能够提高植物的营养水平，但是毫无疑问会破坏土地酸碱性平衡。环保酵素作为酸性的无毒无害的生物肥料，能够缓减土地盐碱化的趋势，原理是因为环保酵素中微生物呼吸产生的乙酸，其中的H⁺和土壤中过多的OH⁻结合，从而降低土壤的pH值，降低碱性后的土壤能够有效吸附钾离子，镁离子等，促进植物的营养吸收。

Figure 3. The pathway by which eco-enzymes may act on maize roots

图3. 环保酵素可能作用于玉米根系的途径

3.2. 环保酵素中金属可能对植物产生影响的研究进展

现代农业面临的巨大挑战之一是以可持续的方式增加生物质产量，同时提高植物产品质量，铁和镁在这一过程中起着重要作用。铁稳态是藻类和高等植物光合效率的重要决定因素，光合装置的结构在很大程度上是铁依赖性的，但是通常土壤中的铁不能轻易被植物根部吸收，植物通常只能通过根部菌群改变铁的存在形式。环保酵素因其丰富的微生物活性和酸性环境，能够使铁离子保持二价的形式被植物吸收。吸收的二价铁离子进入根中，被转移到对铁需求量高的地方，通常是叶片，因为叶绿素的生物合成和光合作用更需要铁，并且新生的叶片对铁的需求度更大 [15]。

环保酵素中的镁离子同样以二价的形式存在，被植物体根部吸收后进入叶和其他部位，镁离子是各种酶的激活剂，是一个重要的调节信号，即能激活又能介导各种生化反应，促进植物生长发育 [16]。

3.3. 环保酵素的氮磷钾对植物产生影响的研究进展

环保酵素主要作为一种无毒有益的生物肥料，提供给植物氨磷钾等营养物质，促进植物生长结果。Jishao J等 [17] 将环保酵素(GE)与生物炭(BC)，硅石(PL)进行堆肥处理后，在0、4、12、24 h分别进行取样，后两者在土壤堆肥中已被证明具有杰出作用 [18] [19]，与它们相比，环保酵素的固氮菌群高于其他两者，在蛋白质细菌的丰度上高于对照组和其他两组。由此可知，环保酵素能够提高氮含量，主要在于能够提高土壤中固氮菌群的丰度。除此之外结果表明，添加GE、PL和BC后，堆肥NH₃排放量分别比对照降低了40.9%、29.3%和67.4%，NO₃N含量分别增加了161.4%、88.2%和105.8%，从而提高了全氮含量。通过提高土壤中固氮菌群的含量来影响植物，植物通过根吸收土壤中氮元素转化成苹果酸，苹果酸在三羧酸循环(TCA)循环中进一步加工，三羧酸循环(TCA)循环是向固氮酶提供能量和碳的核心(见图4)。单独使用苹果酸酶或与磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶联合使用，丙酮酸激酶将苹果酸转化为丙酮酸，乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合以继续三羧酸循环(TCA)循环，三羧酸循环(TCA)循环与叶绿体复合物1一起作用为植物提供能量 [20]。

4. ABC蛋白的研究进展

ABC转运蛋白在原核生物到哺乳动物的各种物种中均被报道，陆地植物拥有比其他物种多三到四倍的ABC转运体(见图5)，大米中有133个不同的ABC转运体，拟南芥中有130个不同的ABC转运体，而人的体内有49个不同的ABC转运体，鼠的体内有53个不同的ABC转运体 [21]，这些转运体主要定位在细胞膜上，能够参与细胞的不同生物反应过程。根据不同的反应过程，ABC转运蛋白被分为8个种类(ABCA-ABCH)。在根中，ABC转运蛋白可保护组织免受金属毒性、生长素转运和底物素沉积的影响。同样地，在叶片中，它调节ABA的进口，角质层的形成和离子的运输。在芽中，ABC转运蛋白参与生长素运输、脂肪酰基辅酶A向过氧化物酶体的转运、角质层形成和质体脂质形成 [22]。

Figure 4. Hypothetical diagram of nitrogen fixation in plant roots

图4. 植物根部固氮作用的假设图

Figure 5. Quantitative map of ABC transporters in organisms

图5. ABC转运体在生物体内数量图

同样，ABC转运蛋白在保护花粉不受不利环境条件影响，并有助于适当施肥和种子形成方面发挥着重要作用。它们也有助于花粉外壁的形成。ABC转运体还有助于种子中矿物质、脂类和角质的积累，调节种子休眠，帮助保持种子发芽率 [23]。

5. 环保酵素对植物中ABC蛋白可能产生影响的作用途径

5.1. 环保酵素理化性质对植物中ABC蛋白可能产生影响的作用途径

环保酵素的电导率能够有效的反映还原糖的含量变化，早期种子的大小与己糖含量有关，环保酵素中含有大量还原性糖，通过植物自生反应生成己糖，促进ABCA蛋白转运，加速种子的发育 [24]。

环保酵素的酸性pH值会缓解土地盐碱化的趋势，碱性土壤会造成植物缺少铁元素，而铁元素与植物生长有至关重要的作用，缺铁时，ABCG亚家族中的PDR9能够促进香豆素的生成，香豆素还原Fe³⁺，并与Fe²⁺形成络合物，运输到植物体内。并且仅在酸性环境中，观察到Fe³⁺被还原 [25] (见图7)。

环保酵素能够抑制微生物菌群产生吲哚乙酸等物质，保持植物体内生长素含量的平衡，促进ABCB亚家族与植物体内生长素结合，给予植物良好的生长条件 [26]。

ABCD亚家族与过氧化物酶的形成有关 [27]。过氧化物酶是植物的抗逆性指标，当植物处在逆境中，过氧化物酶会加速生成，抵御逆境。只有在环保酵素浇灌浓度不适宜时，ABCD亚家族生成过氧化物酶使植物处在稳定的环境中，因此要保证环保酵素适宜的浇灌浓度。

5.2. 环保酵素中金属对植物中ABC蛋白可能产生影响的作用途径

ABCC亚家族与重金属螯合有关 [28]。环保酵素能够促进根系微生物与植物体内ABCC出口的重金属螯合，形成不溶性物质排出植物体外。一些PDR转运蛋白有助于抵抗重金属，例如镉和铅 [29] [30]。镉和铅是土壤中常见的污染物，对植物的生长有害。在植物中，与野生型植物相比，AtPDR8过表达植物表现出更强的镉或铅抗性 [31] [32]。环保酵素中的微生物能够和其中少量镉发生络合使镉中的不可溶部分形成可溶部分，被植物体吸收利用，而进入植物体内的镉都依赖于ABC转运体转运和运用，形成植物体内其他物质。这些基因表达的抑制与根际土壤中生物可利用镉含量的减少呈正相关，PDR8过表达植物表现出更强的镉或铅抗性，镉含量的减少，需要代谢物的分泌减少，以及需要的抗性弱，因此ABC基因呈现下调趋势(见图6)。

Figure 6. ABC gene expression under cadmium

图6. 镉胁迫下的ABC基因表达

铁对植物的生长和发育至关重要，环保酵素中含有丰富的铁元素，但是只有二价铁离子才能被植物吸收，三价铁离子不能被植物吸收，因此三价铁离子需要还原成二价铁离子被植物吸收，通常在酸性土壤中三价铁离子才能被还原。中国大部分土壤呈现碱性，因此抑制了铁离子的还原，使植物得不到充足的铁元素。环保酵素因为呈现酸性pH能够使三价铁离子被还原成二价，并且能够长久保存在环保酵素中，以供后续被植物吸收利用 [25]。过程如下：三价铁离子被细胞中的ABCG36蛋白刺激运转的FRO2蛋白还原内，同时IRT2蛋白运输环保酵素中原本含有的二价铁离子和三价铁离子还原的二价铁离子，进入体内后在将铁离子运送到适宜的区域(见图7)。

Figure 7. Hypothetical flow chart of iron uptake by plant cells

图7. 植物细胞吸收铁的假想流程图

5.3. 环保酵素中氮磷钾对植物中ABC蛋白可能产生影响的作用途径

如前文探讨，环保酵素中富含氮，能够和土壤中超量的镉等重金属螯合，形成不溶物，不被植物吸收，减少重金属在植物体内积累。

在模式生物拟南芥缺少氮元素时，会造成ABCA9转运蛋白的积累促使三酰基甘油代替氮在内质网中活动 [33]。环保酵素中充足的氮营养，可能会减少ABCA9蛋白的生成，从而会促进ABC家族其他蛋白的生成，加快氮的转运。如ABCG亚家族全尺寸亚科PDR能够释放信号肽，促使豆科根瘤细菌吸收氮元素，从而转运氮进入植物根部，运输到植物其他部位 [34]。

ABCG29能够延长根部结构和毛发生长来增强根鞘的形成，从而增加对磷的吸收，环保酵素中充足磷元素可能会减少ABCG29的表达 [35]。

ABCC亚家族还是钾通道的调节器，环保酵素中钾离子能够加速ABCC运输钾离子，促进植物的生长发育 [36]；

6. 结论

1) 环保酵素中糖类物质能够被ABCA蛋白转运，从而促进种子的发育；环保酵素的低pH能够改善土壤盐碱化，还能够让大多数离子如铁，镁保持在二价的活性状态，减少PDR9的表达，促进植物吸收；环保酵素能够抑制微生物菌群产生吲哚乙酸，从而保持植物体内生长素的平衡，降低ABCG亚家族转运蛋白的表达，增高ABCB亚家族转运蛋白的表达；环保酵素在植物生长过程中会导致细菌趋化性。

2) 环保酵素中少量的重金属如镉铅在植物体内被ABCC亚家族蛋白结合运出体外，若环保酵素中无镉铅等重金属可能会导致ABC转运蛋白相关的基因的下调；ABCG36能够释放香豆素促进环保酵素中的二价铁离子被植物吸收。

3) 环保酵素中充足的氮元素，可能会减少ABCA9蛋白的表达，但是会促使PDR释放信号肽，加速转运过程；环保酵素中充足的磷元素，可能会降低ABCG29的表达；环保酵素中充足的钾元素可能会加速ABCC亚家族运送蛋白的过程。

7. 展望

环保酵素制作简单，方便易得，常见的环保酵素通过蔬果果皮制作，据研究可以得知环保酵素对于植物的成长发育有一定的促进作用，但是不同种类的环保酵素对植物吸收是否有不同的作用。

ABC蛋白在植物体内的作用巨大，数量众多，但是每种蛋白的作用并没有完全解释清楚。环保酵素作用于一些ABC亚家族蛋白呈现下调趋势，另一些则呈现上调趋势，这些ABC蛋白之间是否会相互影响。

环保酵素中营养元素被植物吸收后，大多数由ABC蛋白进行转运到特定部位，后续的ABC蛋白是否会被物质的浓度影响转运的过程与速度。除此之外，环保酵素中大部分物质被ABC蛋白运送进入根后，又是通过什么方式什么蛋白转运到叶片，芽等位置，在叶片和芽中又起到什么作用，这些仍然值得我们去探究。