应用植物代谢同化HCHO的能力净化环境HCHO污染的技术由于其简单易行,经济成本低,效果显著等特点,持续受到关注。随着对植物净化HCHO机理研究的不断深入,除了可以通过筛选具有高效净化HCHO能力的植物净化空气以外,了解植物体内HCHO代谢途径,并进一步揭示高浓度下HCHO胁迫的植物生化响应,即可实现利用基因工程技术提高植物对外源HCHO净化能力,这也是国际上认同的净化污染气体的新途径。目前对植物同化HCHO途径的研究主要集中在光合组织,并且发现植物根在HCHO代谢过程中有乙醛酸循环相关产物生成,因此乙醛酸循环可能在HCHO脱毒过程中发挥重要作用。深入研究乙醛酸循环在植物HCHO代谢中的作用,有助于我们更全面了解植物对HCHO胁迫的代谢应答机理,为开发更多HCHO污染的植物修复技术提供理论依据。鉴于模式植物蚕豆的相关生化过程已有较多的报道,本研究以蚕豆植株、蚕豆离体叶片和根为试验材料,借鉴已有的植物乙醛酸循环等研究成果,将本研究的重点聚焦于乙醛酸途径对HCHO脱毒过程的影响。本研究采用稳定同位素示踪的手段,用H¹³CHO处理其不同组织后通过核磁共振(¹³C-NMR)分析代谢产物变化,从而阐明乙醛酸途径在蚕豆组织细胞内HCHO脱毒过程中的作用。同时,在HCHO胁迫条件下添加糖类物质和甲醇抑制或诱导乙醛酸途径关键酶基因的表达,改变乙醛酸途径关键酶活性,分析蚕豆HCHO吸收能力和HCHO代谢能力的变化,定性评价乙醛酸途径对蚕豆组织HCHO脱毒的贡献,从而揭示蚕豆中乙醛酸途径对液体HCHO胁迫的代谢应答作用。最后利用数学模型优化蚕豆植株吸收HCHO的最佳条件,在此基础上利用蚕豆吸收代谢HCHO的能力开发生物反应器,探讨反应器净化实际环境HCHO污染的可行性。论文获得如下研究结果。蚕豆离体根吸收HCHO的动力学曲线为前期慢,后期快的模式,主要驱动力为根HCHO代谢。采用H¹³CHO处理蚕豆离体根,¹³C-NMR分析离体根同化HCHO的机制,结果发现用2mM H¹³CHO时间梯度处理离体根,H¹³CHO首先被氧化生成H¹³COOH,然后出现一个非常强烈的[2,4-¹³C]柠檬酸（Cit）信号峰,同时观察到[2,3-¹³C]琥珀酸（Su）和[3-¹³C]Cit的信号峰增强,这表明乙醛酸和三羧酸（TCA）循环在同化HCOOH的过程中同时发挥了作用。[2,4-¹³C]Cit的产量超过了总代谢产物量的85%,是标志性代谢产物。异柠檬酸裂解酶（ICL）是乙醛酸途径中的关键酶,其活性受到HCHO的诱导。因此,高浓度H¹³CHO（4mM和6mM）处理显著增加[2,4-¹³C]Cit的产量。此外,通过高浓度（10 mM）甲醇诱导ICL酶活性后继续用2mM H¹³CHO处理根系,可以同时提高[2,4-¹³C]Cit和[3-¹³C]Cit的产量;用环孢素A（CSA）预处理离体根阻止富含¹³C的代谢物进入线粒体,导致在H¹³CHO处理根中的[2,4-¹³C]Cit产量显著下降;同时导致[2,3-¹³C]Su累积,HCOOH氧化产生的HCO₃^-产量增加,这些证据说明在蚕豆离体根中HCHO同化通过乙醛酸途径和TCA循环协同作用完成。基于上述实验结果揭示了蚕豆离体根中的HCHO代谢途径:H¹³CHO吸收进入根细胞后首先氧化成甲酸,然后将大部分甲酸缩合成乙醛酸。少量甲酸以HCO₃^-的形式氧化成CO₂。大部分乙醛酸进入乙醛酸途径,并被同化为[3,6-¹³C]Cit和[2-¹³C]Su。[2-¹³C]Su进入TCA循环,进一步同化为[2,4-¹³C]Cit。在TCA循环中[2-¹³C]Su和[2,4-¹³C]Cit的代谢产生草酰乙酸（OAA）和a-酮戊二酸（KGA）。随后对这些代谢物通过转氨作用生成[3,4-¹³C]谷氨酸（Glu）,[2-¹³C]天冬氨酸（Asp）和[2-¹³C]天冬酰胺（Asn）。蚕豆离体叶片HCHO吸收曲线与蚕豆根的吸收曲线类似,也呈现前期慢后期快的吸收模式,主要驱动力为叶片HCHO代谢。蚕豆离体叶片中HCHO代谢的主要产物包括甲酸（FA）、CO₂、[2,4-¹³C]Cit、[2,3-¹³C]Su、[2-¹³C]苹果酸（Mal）、[3-¹³C]丝氨酸（Ser）和[2-¹³C]甘氨酸（Gly）,其中[2,4-¹³C]Cit产量占总代谢物量的51%。ICL活性受到高浓度甲醇诱导,变化模式与[2,4-¹³C]Cit产量变化模式一致。CSA预处理使[2,4-¹³C]Cit、[2-¹³C]Mal和[2,3-¹³C]Su信号峰增强,这些证据说明乙醛酸途径和TCA循环协同作用在蚕豆离体叶片的HCHO同化过程中发挥重要作用。基于上述实验结果阐明了蚕豆离体叶片中HCHO代谢途径:H¹³CHO首先通过Serine途径产生[3-¹³C]Ser。然后[¹³C]Ser在丝氨酸脱水酶作用下脱氨基生成[¹³C]丙酮酸,[¹³C]丙酮酸经丙酮酸脱氢酶（PDH）氧化脱羧生成[¹³C]乙酰辅酶A进入乙醛酸循环代谢。在乙醛酸循环内,[¹³C]乙酰辅酶A与草酰乙酸（OAA）通过亲核加成反应生成[2,4-¹³C]Cit。[2,4-¹³C]Cit在乌头酸酶作用下,异构为[2-¹³C]Icit。[2-¹³C]Icit经脱羧、还原、裂解等反应生成[2,3-¹³C]Su和[2-¹³C]乙醛酸。[2,3-¹³C]Su进入线粒体参与TCA循环代谢产生草酰乙酸（OAA）和a-酮戊二酸（KGA）。蚕豆离体根和叶片HCHO代谢机制的相同之处在于:（1）在离体叶片和根中HCHO均能够被氧化生成HCOOH,HCOOH可以继续氧化生成CO₂或缩合生成乙醛酸。部分乙醛酸进入乙醛酸途径代谢,另一部分乙醛酸进入过氧化物酶体反应生成Gly,Gly进入线粒体生成Ser;（2）在离体根和叶片中[2,4-¹³C]Cit都是HCHO代谢的标志性产物;（3）在离体叶片和根中均有糖酵解反应发生,游离糖浓度持续降低。蚕豆离体根和叶片HCHO代谢机制的不同之处在于:（1）离体叶片可以通过Serine途径同化HCHO;（2）在离体叶片中部分HCOOH可以生成OAA,OAA进入TCA循环参与代谢;（3）CSA预处理实验表明离体根中[2,4-¹³C]Cit的产生定位在TCA循环,而叶片中[2,4-¹³C]Cit的产生定位在乙醛酸循环;（4）在离体叶片中Cys产量增加,而在离体根中Cys产量减少。蚕豆植株吸收HCHO溶液的动力曲线与离体根和叶片吸收情况相似,均为前期慢,后期快的吸收模式。蚕豆植株具有“水-植物-空气”循环系统,能够将根部液体HCHO转移到叶际的空气中,叶际HCHO气体浓度与叶片的蒸腾作用高度相关。蚕豆植株吸收液体或气体HCHO后,均在根茎叶各部分累积,根部累积浓度最高,叶片次之,茎最低。蚕豆植株同化气体HCHO的代谢产物包括Cit、Glu、FA、Asn、Asp和Su等化合物。蚕豆植株叶片和根部HCHO代谢途径与离体根和叶片HCHO代谢途径相似,乙醛酸途径和TCA循环发挥主要作用,[2,4-¹³C]Cit是标志性代谢产物。蚕豆植株与离体根和叶片HCHO代谢机制不同之处在于:（1）离体根和叶片代谢HCHO过程中有HCO₃^-产生,而蚕豆植株代谢HCHO过程中没有HCO₃^-产生;（2）离体根代谢HCHO过程中[2-C¹³]Cys的产量降低,而蚕豆植株在代谢过程中[2-C¹³]Cys产量增加;（3）离体根和叶片代谢HCHO过程中游离糖产量持续减少,而在蚕豆植株代谢HCHO过程中有糖异生作用出现,游离糖的产量增加。蚕豆植株茎部也能够代谢HCHO,其代谢途径与叶片代谢HCHO途径相似。蚕豆植株根部HCHO代谢能力最强,叶片次之,茎最弱。影响蚕豆植株吸收HCHO效率的因素包括植株重量、处理液浓度、处理液体积和处理时间等,单因素实验表明,处理液体积增加总体吸收率呈下降趋势;鲜重增加,吸收率总体上升。采用中心组合模型对蚕豆植株吸收HCHO的处理液浓度、体积和植物鲜重等三个因素水平进行优化,发现处理液体积和浓度之间交互作用显著,固定处理液浓度,处理液体积增加HCHO吸收率降低;植株鲜重和处理液体积之间交互作用显著,固定植株鲜重,处理液体积升高HCHO吸收率降低。本研究探索出最优因素水平:处理液浓度0.099mM、处理液体积0.248L和植株鲜重85.5g,实际HCHO吸收率达到88.91%,比未优化前提高21.11%,接近于模型预测最高值。根据曲面响应实验结果,设计实际应用级别的悬浮式反应器。考察蚕豆植株鲜重、水体积和空气流速、污染物浓度等因素对反应器净化实际环境HCHO污染效率的影响,发现HCHO净化率随植株鲜重增加而升高;增加反应器中水体积导致HCHO净化率下降;空气流速加大,HCHO净化率上升。在HCHO浓度为1.1mg/m³的实验空间（53m³）,反应器连续运行7d,HCHO平均净化率达到41.6%,净化能力为0.15 mg.m^-3.h^-1。