阴离子交换树脂在体外瘤胃条件下对全氟辛烷磺酸的强效吸附作用研究

《Journal of Dairy Science》：Efficacy of binders on sequestering per- and polyfluoroalkyl substances under in vitro ruminal conditions

本研究针对畜牧业中日益严重的全氟和多氟烷基物质污染问题，评估了六种吸附剂在体外瘤胃环境中对PFOS的吸附效能。研究发现，只有阴离子交换树脂——消胆胺在1.8%的添加剂量下展现出高达52.5%的PFOS吸附率，且不影响瘤胃发酵。分子动力学模拟揭示了其通过静电和疏水相互作用高效封装PFOS的机制。该研究为开发降低牲畜产品中PFAS污染的有效策略提供了重要依据。

　　

在当今的农业生产中，一种看不见的威胁正悄然影响着畜牧业的安全与可持续发展，这就是全氟和多氟烷基物质。这类人造化学物质因其出色的耐热性和拒水拒油性，曾被广泛应用于各类工业产品中。然而，它们的持久性和生物累积性带来了严峻的环境与健康挑战。特别是“传统”PFAS，如全氟辛烷磺酸和全氟辛酸，已被国际癌症研究机构归类为致癌物，并与生育力下降、出生体重低、免疫力减弱等多种健康问题相关联。

对于反刍动物而言，受PFAS污染的牧草是主要的暴露来源。这些物质在动物体内，尤其是在血液、肌肉、肝脏和肾脏中生物累积，并最终转移至乳汁中，对牛奶消费者，特别是儿童构成食品安全隐患。面对这一挑战，科研人员开始从成功的霉菌毒素吸附剂方案中寻找灵感，试图开发出能够特异性吸附PFAS的饲料添加剂，从而在瘤胃中就将这些有害物质“捕获”，并通过粪便排出体外，阻断其进入食物链的路径。

为了验证这一设想，研究人员在《Journal of Dairy Science》上发表了一项开创性研究，系统评估了多种吸附剂在模拟瘤胃环境下对PFOS的吸附效果。研究团队首先采用了一种循序渐进的策略，利用已知的黄曲霉毒素B1吸附模型来验证其体外瘤胃测定方法的可靠性，随后将该方法应用于PFAS吸附研究。关键技术方法包括：利用来自两头瘘管奶牛的瘤胃液建立体外发酵体系；采用随机完全区组设计评估六种候选吸附剂在1.8%添加剂量下的PFOS吸附效能；通过气相监测系统分析48小时发酵过程中的产气动力学和瘤胃发酵参数；并运用分子动力学模拟深入探究高效吸附剂与PFOS分子间的相互作用机制。

Experiment 1: AFB1 Adsorption Analysis

研究人员首先使用黄曲霉毒素B1验证了测定方法的可靠性。结果表明，在无菌的体外瘤胃条件下，膨润土和蒙脱石铝柱撑粘土对AFB1均表现出超过50%的相对吸附率，其中膨润土的效果更佳，这与已知的文献报道一致，证明了该测定体系可用于评估吸附剂在瘤胃环境中的性能。

Experiment 2: PFAS Adsorption Analysis

在对PFAS吸附剂的研究中，团队使用了来自缅因州受PFAS污染草场的梯牧草作为底物。物理性质分析显示，不同吸附剂在比表面积、孔径和粒径分布上存在显著差异。体外发酵48小时后，在所有测试的吸附剂中，唯有消胆胺表现出显著的PFOS吸附能力，其相对吸附率达到了52.4%。而膨润土、蒙脱石铝柱撑粘土、壳聚糖、活性炭诺瑞特和考来替泊则未显示出有效的PFOS吸附作用。更重要的是，在所使用的剂量下，这些吸附剂均未对瘤胃的产气动力学和发酵参数产生显著的负面影响，表明它们具有良好的生物相容性。

CHM-PFOS Adsorption Structures

分子动力学模拟为CHM的高效吸附机制提供了分子层面的解释。模拟结果显示，PFOS分子被有效地封装在CHM聚合物结构形成的笼状空腔中。这种强效吸附主要由带正电荷的CHM与带负电的PFOS磺酸根基团之间的强静电相互作用驱动，同时，PFOS的碳氟化合物骨架与CHM聚合物苯环之间的疏水相互作用进一步稳定了吸附结构。计算出的结合自由能表明，PFOS与CHM的结合力甚至强于胆汁酸，这解释了为何在成分复杂的瘤胃液中，CHM仍能优先吸附PFOS。

该研究的结论明确指出，阴离子交换树脂消胆胺在模拟瘤胃条件下对PFOS展现出强大的吸附潜力，且不影响正常的瘤胃微生物发酵。这一发现为开发能够降低反刍动物体内PFAS积累、进而保障动物源性食品安全的新型饲料添加剂提供了关键的科学依据。其重要意义在于，它首次系统地将用于水处理的PFAS吸附剂概念引入畜牧业生产体系，并验证了其在复杂生物环境下的适用性，为解决PFAS通过食物链传递这一全球性挑战开辟了一条富有前景的新途径。未来需要通过体内试验进一步验证CHM在实际饲养条件下的有效性和安全性，以期推动该策略的实际应用。