六种全氟和多氟烷基物质在河口沉积物中的吸附动态：颗粒大小分布和盐度在低有机碳沉积物中的作用

《Environmental Pollution》：Sorption dynamics of six per- and polyfluoroalkyl substances in estuarine sediments: The role of particle size distribution and salinity in low organic carbon sediments

PFAS在低有机碳海床中的吸附受盐度、颗粒分布及化合物链长影响，长链PFOS吸附最强，低盐度促进吸附。研究通过实验室批次实验，分析三种不同海床（低TOC，含不同粒度）在0-70 g/kg盐度下六种PFAS的吸附行为，发现颗粒越细、盐度中等的条件下吸附越显著，且链长越长、硫代基团的存在越增强吸附。建议环境管理需考虑区域沉积物特性及PFAS化学性质。

　　PFAS（全氟和多氟烷基物质）是一类广泛存在于自然和人为环境中的合成有机氟化合物，因其持久性、生物累积性和潜在的健康风险而受到越来越多的关注。这些物质通常包含一个完全氟化的碳链，如–CF?或–CF?–，并且因其结构特性而表现出广泛的环境分布。由于PFAS的高稳定性和低降解速率，它们可以在环境中长期存在，甚至在数十年内保持不变。这种持久性使得PFAS成为水体、土壤以及沉积物中重要的污染物，尤其在沿海生态系统中，它们的积累和迁移对生态和人类健康构成了潜在威胁。

### PFAS的环境影响与迁移特性

PFAS因其独特的化学结构和物理化学性质，在环境中的行为复杂且多变。它们既可以作为水体中的溶解性污染物，也可能通过吸附作用转移到沉积物中。这种转移过程在自然环境中受到多种因素的影响，包括水体的化学条件、沉积物的物理化学特性以及PFAS自身的分子结构。例如，盐度、有机碳含量、颗粒物的大小分布等都会对PFAS在沉积物中的吸附行为产生显著影响。

在许多情况下，沉积物被视为PFAS的长期“汇”和“源”。当水体中的PFAS浓度较高时，它们可以通过物理吸附、化学键合或其他机制被沉积物捕获，从而减少水体中的污染负荷。然而，当水体的化学条件发生变化，如盐度下降或有机碳含量减少时，这些吸附在沉积物中的PFAS可能会重新释放到水体中，成为二次污染源。这种现象被称为“吸附滞后”或“解吸滞后”，意味着PFAS在沉积物中的吸附过程可能并不完全可逆，导致其在环境中长期存在并持续影响生态和人类健康。

### 实验设计与研究方法

为了更深入地理解PFAS在不同沉积物中的吸附行为，研究人员在澳大利亚墨尔本的Port Phillip Bay和Western Port地区采集了三种不同类型的沉积物样本，并在实验室条件下进行了批次吸附实验。实验中，这些沉积物被分别与不同盐度的人工海水混合，盐度范围从0 g/kg（淡水）到70 g/kg（高盐度海水）。实验还涉及了六种常见的PFAS化合物：PFOS、PFOA、PFHxS、PFHxA、PFBA和PFBS。这些化合物的吸附能力被评估，并通过计算分配系数（Kd）和归一化有机碳到水的分配系数（Koc）来衡量其在沉积物中的吸附程度。

实验过程中，研究人员使用了多种分析方法，包括液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS）来检测和定量PFAS的浓度。同时，为了确保实验结果的准确性和可靠性，还实施了严格的质量控制措施，包括使用空白样品、实验室对照样品以及重复实验。此外，实验还评估了不同盐度条件下PFAS的浓度变化趋势，以探讨盐度对吸附行为的具体影响。

### 实验结果与分析

实验结果显示，PFAS在沉积物中的吸附行为受到多种因素的共同影响。首先，沉积物的有机碳含量（TOC）是影响PFAS吸附的关键因素之一。TOC较高的沉积物通常具有更强的吸附能力，这主要归因于有机碳提供的吸附位点以及其与PFAS分子之间的疏水相互作用。然而，在本研究中，所选的三种沉积物TOC含量均较低，这使得吸附行为主要由其他因素决定，如沉积物的颗粒大小分布和矿物组成。

颗粒大小分布对PFAS的吸附能力也有显著影响。细颗粒沉积物（如黏土和淤泥）通常具有更高的比表面积和孔隙体积，这为PFAS提供了更多的吸附位点。相比之下，粗颗粒沉积物（如沙子）由于其较低的比表面积和较少的吸附位点，吸附能力相对较弱。实验发现，Hastings沉积物因其较高的黏土含量（约11%），表现出比Dromana和Patterson沉积物更强的PFAS吸附能力，尽管其TOC含量是最低的。这表明，在低TOC的海洋沉积物中，矿物表面的相互作用，尤其是黏土的存在，可能是驱动PFAS吸附的主要因素。

其次，盐度对PFAS的吸附行为也有显著影响。实验结果显示，在低盐度（<20 g/kg）条件下，盐度的增加会显著增强PFAS的吸附能力。这种现象通常归因于盐度对电荷相互作用的影响。高盐度条件下，水中的离子强度增加，减少了PFAS分子与沉积物表面之间的静电排斥，从而促进了吸附。此外，高盐度可能通过“盐析效应”降低PFAS的溶解度，使其更容易与沉积物结合。然而，在高盐度范围内（20–70 g/kg），这种影响趋于减弱，表明盐度对PFAS吸附的增强作用主要集中在较低的盐度水平。

最后，PFAS的分子结构，特别是碳链长度和功能基团，也对其吸附能力有重要影响。长链PFAS（如PFOS）由于其更强的疏水性，通常比短链PFAS（如PFBA和PFBS）表现出更高的吸附能力。实验发现，PFOS在所有三种沉积物中都表现出最强的吸附能力，其次是PFOA和PFHxS，而PFBA和PFBS的吸附能力则相对较弱。这种趋势进一步验证了碳链长度在PFAS吸附行为中的主导作用。

### PFAS的环境管理与未来研究方向

PFAS在环境中的行为对生态和人类健康构成了重大挑战。由于它们的高持久性和生物累积性，PFAS一旦进入水体，就可能长期存在于环境中，并通过食物链影响生态系统和人类。因此，理解PFAS在不同环境条件下的迁移和吸附行为对于制定有效的环境管理策略至关重要。

在本研究中，研究人员发现，低TOC的海洋沉积物对PFAS的吸附能力有限，但在某些情况下，如盐度变化或沉积物粒径分布差异，吸附行为仍可能显著变化。这提示我们，在评估PFAS的环境风险时，需要综合考虑多种因素，包括沉积物的物理化学特性、水体的盐度以及PFAS的分子结构。此外，PFAS的解吸行为和吸附滞后现象也值得关注，因为这些过程可能影响其在环境中的长期分布和迁移路径。

未来的研究可以进一步探讨PFAS在不同环境条件下的解吸机制，以及其在沉积物中的长期滞留和释放过程。同时，随着PFAS种类的不断增加，研究不同PFAS化合物之间的吸附差异及其在特定环境条件下的行为模式，也将有助于更全面地评估其环境风险。此外，研究PFAS在实际环境中的迁移路径和生物累积效应，将有助于制定更有效的污染控制和修复措施。

### 结论

本研究通过实验揭示了PFAS在低TOC海洋沉积物中的吸附行为受到多种因素的共同影响，包括沉积物的颗粒大小分布、有机碳含量、盐度以及PFAS的分子结构。实验结果表明，长链PFAS（如PFOS）在低TOC沉积物中表现出更强的吸附能力，而短链PFAS（如PFBA和PFBS）则对盐度变化不敏感，主要以溶解形式存在于水体中。Hastings沉积物由于其较高的黏土含量，表现出更强的PFAS吸附能力，这表明在低TOC环境中，矿物表面的相互作用可能是驱动PFAS吸附的关键因素。

这些发现对于理解和管理PFAS在沿海生态系统中的行为具有重要意义。在实际环境中，PFAS的迁移和吸附行为可能因水体条件和沉积物特性而有所不同，因此，环境管理策略应充分考虑这些变量。此外，由于PFAS的持久性和潜在的健康风险，未来的研究需要进一步探讨其在沉积物中的长期滞留、解吸机制以及在不同环境条件下的迁移路径，以更全面地评估其对生态和人类健康的潜在影响。