生物炭调控土壤-植物降雨淋溶系统中全氟辛酸（PFOA）归趋的周年研究：残留组分与代谢组学视角

为解决全氟辛酸（PFOA）在土壤-植物系统中易迁移和植物吸收导致的生态风险问题，研究人员通过360天实验探究了生物炭（2%和4%）对两种土壤中PFOA垂直迁移、残留组分动态及植物代谢的影响。结果表明，生物炭通过微孔和芳香结构固定PFOA（62.1%~94.9%），显著减少淋溶（<0.09%）和生菜吸收（<0.02%），并维持代谢稳态。该研究为PFAS污染治理提供了科学依据。

　　

全氟辛酸（Perfluorooctanoic acid, PFOA）作为全氟和多氟烷基物质（PFAS）家族中的“明星污染物”，因其在防水涂料、不粘锅等产品中的广泛应用，已成为全球环境中难以降解的顽固污染物。更令人担忧的是，PFOA不仅通过饮用水和食物链在人体内累积（美国调查显示>95%人群血液中检出），还与生殖毒性、心血管损伤等健康风险密切相关。土壤作为PFOA的“中转站”，其强水溶性和弱吸附性导致污染物易通过降雨淋溶污染地下水，或被作物吸收进入食物链。尽管传统研究尝试用生物炭吸附PFAS，但多局限于短期实验，忽视了自然环境中动态的土壤-植物-降雨系统相互作用，尤其缺乏对PFOA残留组分长期演化及其生物效应分子机制的深入解析。

针对这一科学盲区，南京大学等机构的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表了一项为期360天的创新研究。他们构建了温室模拟系统，结合放射性标记技术（¹⁴C-PFOA）、土壤连续化学提取法和植物代谢组学，系统评估了两种剂量生物炭（2%和4%）对PFOA在土壤-生菜系统中归趋的调控作用。

主要技术方法
研究采用慢热解法制备四种生物炭（木材、稻壳、稻秆、竹材），通过吸附实验筛选最优材料。建立土壤柱-生菜降雨淋溶系统，利用¹⁴C示踪技术定量PFOA迁移；采用CaCl₂可提取态、有机结合态等五步连续提取法分析残留组分；结合LC-MS非靶向代谢组学和抗氧化酶活性测定解析植物响应。

研究结果

3.1 PFOA淋溶动态与表层土壤残留
生物炭使PFOA淋失量从对照组的55.2%~57.3%骤降至<0.09%，且延迟首次淋出时间至少81天。表层土壤（0-10 cm）中PFOA占比达62.1%~94.9%，其非易解吸态比例随老化从初始25%增至360天后的75%，表明生物炭微孔和芳香结构对PFOA的强固定作用。

3.2 生物炭改变PFOA土壤赋存形态
生物炭促使PFOA快速转化为酯键结合态非提取残留物（NERs），这种“锁定效应”随季节老化增强。木质生物炭因高比表面积（512 m²/g）和微孔体积（0.28 cm³/g）表现最优。

3.4 代谢组学揭示植物保护机制
2%生物炭即可使生菜代谢谱恢复至对照水平，关键调控涉及糖酵解和三羧酸循环代谢通路；4%生物炭进一步激活抗氧化物（谷胱甘肽）合成，缓解PFOA诱导的氧化应激。

结论与意义
该研究首次阐明生物炭在周年尺度上通过物理吸附-化学键合双重机制固定PFOA，形成“表层土壤屏障”，有效阻断其向下迁移和食物链传递。代谢组学证据表明，生物炭不仅降低污染物生物有效性，还能增强植物抗逆性。这一发现为PFAS污染农田的安全利用提供了可量化、可预测的技术方案，尤其对多雨地区地下水保护和农产品安全生产具有重要实践价值。研究提出的“老化-残留组分-代谢响应”关联模型，为复杂系统中持久性有机污染物的风险评估与修复提供了新范式。