人工湿地中全氟和多氟烷基物质的分布及生态风险：基于实地规模的案例研究

《Journal of Water Process Engineering》：Distribution and ecological risks of Per- and polyfluoroalkyl substances in constructed wetland: Field-scale case study

PFAS去除效率为38.46%-63.68%，GenX和PFOA在水与沉积物中浓度最高，其分布受电导率和pH显著影响，生态风险降低38.37%-35.20%。湿地系统可有效减少PFAS对水生生物的危害，证实其作为PFAS修复和生态风险缓解的有效手段。

　　

刘文豪|王硕|赵倩|于佩涵|郭子章|谢慧军|张健|胡臻

中国山东省鲁东大学环境科学与工程学院复杂多媒体污染协同控制重点实验室，青岛市，266237

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFAS）被认为是全球关注的新兴污染物。利用人工湿地（CW）去除PFAS引起了人们的兴趣。因此，本研究调查了PFAS在实地规模人工湿地中的去除效率、分布及生态风险。结果表明，PFAS的去除效率在38.46%到63.68%之间。在水样中检测到六种PFAS，而在沉积物样本中检测到四种PFAS。其中，全氟-2-甲基-3-氧己酸（GenX）和全氟辛酸（PFOA）是水和沉积物中最丰富的PFAS，其最大浓度分别为13.30 × 10³ ng/L和1.52 × 10³ ng/g。GenX主要分配到水中，这一过程受电导率（EC）控制（p < 0.05）。此外，PFOA主要分配到沉积物中，这一过程受pH值、总有机碳（TOC）和氧化还原电位（ORP）控制（p < 0.05）。对人工湿地生态风险的评估表明，它有效降低了GenX、全氟辛烷磺酸盐（PFOS）和PFOA对水生生物的高生态风险，分别降低了38.37 ± 1.37%、27.89 ± 4.42%和35.20 ± 8.95%。总体而言，本研究阐明了PFAS的分布行为，并展示了实地规模人工湿地作为PFAS修复和生态风险缓解的有效处理系统的潜力。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）由于其优异的物理化学性质，在各个领域得到广泛应用[1]。然而，许多研究表明，PFAS对人类健康构成严重威胁，包括致癌和免疫毒性作用[2,3]。近年来，由于PFAS的高持久性，它们在环境中被广泛检测到[4]。Joerss等人[1]发现，小清河中的全氟辛酸（PFOA）浓度高达4.04 × 10⁵ ng/L。在用于修复PFAS污染废水的技术中，人工湿地（CW）因其高效性而受到越来越多的关注[5]。Yu等人[6]指出，人工湿地中PFOA和全氟辛烷磺酸盐（PFOS）的去除效率分别可达71.8%和85.8%。尽管实验室规模的研究为使用人工湿地修复PFAS提供了有价值的见解，但它们无法完全模拟自然环境条件的复杂性，这可能导致实际PFAS去除效率与实验室结果有所不同。Zareitalabad等人[7]发现，在现场条件下，PFOA在有机碳上的吸附量比实验室条件下高0.9个单位，这可能提高了现场条件下的PFOA去除效率。因此，研究实地规模人工湿地中的PFAS去除性能具有重要意义。

人工湿地去除PFAS主要通过基质吸附实现[8,9]。试点规模实验表明，超过60%的PFAS通过基质吸附被去除[10,11]。PFAS在基质上的吸附是一个可逆过程[12]，这一过程很大程度上受到PFAS分子结构和环境因素的影响[[13], [14], [15]]。例如，短链PFAS的移动性更高，与长链PFAS相比，其与基质的结合力较弱[16]。此外，PFAS在人工湿地沉积物中的积累受到土壤有机质比例（吸附系数K_oc）和pH值的显著影响[17,18]。这些因素可能导致不同PFAS在水-基质之间的分配差异，从而影响基质吸附过程，进而影响PFAS的去除效率。因此，阐明实地规模人工湿地中PFAS的分布特性对于优化其设计和运行、提高PFAS去除性能至关重要。

PFAS可以在环境中长期积累，随后可能释放到地表水中，加剧生态风险[19]。尽管PFOS、PFOA和其他传统PFAS已受到监管，但它们的替代品仍有很大可能性释放到环境中[20]。最近的研究表明，氯化多氟烷基醚磺酸（商品名Polyfluoroalkyl Ether Sulfonic Acid，简称F53B）和全氟-2-甲基-3-氧己酸（商品名Perfluoroalkyl Ether Carboxylic Acid，简称GenX）的生物毒性水平分别与PFOS和PFOA相当[21,22]。水生生物可以从水中吸收PFAS并将其纳入食物链，从而对生态系统构成严重威胁。据报道，PFAS可通过增强活性氧的生成在湿地生物体内引起毒性作用，导致氧化损伤和重要生理过程的紊乱[8]。此外，对关键生物物种的损害会显著降低人工湿地的废水处理能力。因此，对PFAS对人工湿地造成的生态风险进行评估对于识别处理后水的危害以及开发确保水质安全的人工湿地技术至关重要。

因此，本研究调查了实地规模人工湿地对PFAS的去除效率。收集水和沉积物样本以确定PFAS的分布模式。此外，使用风险商数（RQ）分析识别了PFAS对人工湿地的生态风险。研究结果有望为了解实地规模人工湿地的PFAS修复能力和生态风险降低潜力提供参考。

研究区域

本研究在中国淄博市小清河流域的一个实地规模人工湿地进行，该湿地自2007年以来持续运行，处理能力为20 × 10³ m³/d。该湿地的主要处理对象是天然水。它是一个典型的地下-地表混合流式湿地，是一种被动水处理设施，包括一个面积为1.33公顷的生态滞留池、一个面积为3.67公顷的地下流式湿地（SSFW）和一个地表流式湿地（SFW）。

人工湿地中水和沉积物中的PFAS浓度

图2A显示了水样中检测到的PFAS。结果表明，GenX（7562.54 ± 402.27 ng/L）和PFOA（1001.48 ± 115.67 ng/L）是进水中的主要PFAS，其次是PFBS（6.28 ± 0.18 ng/L）、PFOS（2.54 ± 0.13 ng/L）、F53B（2.39 ± 0.37 ng/L）和PFHxS（1.50 ± 0.46 ng/L）。PMF模型显示，PFAS主要来源于氟聚合物制造过程（51%）、电镀过程（16%）和日常用品（33%）（文本S3）。这表明

结论

本研究调查了六种PFAS在实地规模人工湿地中的去除效率、分布和生态风险。人工湿地对PFAS的去除效率在38.46%到63.68%之间。GenX和PFOA分别是水和沉积物中最丰富的PFAS，其最大浓度分别为约13.30 × 10³ ng/L和1.52 × 10³ ng/g。相关性分析表明，GenX在水和沉积物之间的分配主要受电导率（EC）控制（p < 0.05），而

作者贡献声明

刘文豪：撰写——原始草稿、可视化、调查、正式分析、概念化。王硕：撰写——审阅与编辑、调查。赵倩：撰写——审阅与编辑、调查。于佩涵：撰写——审阅与编辑。郭子章：撰写——审阅与编辑。谢慧军：撰写——审阅与编辑。张健：撰写——审阅与编辑。胡臻：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52170043、51878388）和微生物技术国家重点实验室内部联合项目基金（项目编号：SKLMTIJP-2024-09、SKLMTIJP-2025-02）的支持。我们感谢山东大学环境科学与工程学院分析测试中心提供的技术支持。