污泥胞外聚合物与全氟烷基物质的结合稳定性及其环境风险放大机制

针对全氟烷基物质(PFAS)在污泥处理系统中的环境行为不明问题，研究人员通过多光谱技术、分子对接和动态模拟，揭示了PFOA/PFOS与污泥胞外聚合物(EPS)的稳定结合机制，发现PFOA因更强的氢键和疏水作用形成更稳定的EPS复合物，其植物毒性风险显著高于PFOS，为污泥中PFAS的管控提供了分子机制依据。

　　

全氟烷基物质(PFAS)这类"永不降解"的化学物质，正在全球水体和土壤中悄然积累。作为消防泡沫、不粘涂层的关键成分，PFAS以其独特的碳-氟键(C-F)结构抵抗自然降解，甚至在极低浓度下仍能引发生态毒性。更令人担忧的是，污水处理厂污泥已成为PFAS的"聚集地"——研究表明，德国、瑞士等国污泥中PFAS浓度高达698-3200 ng/g。这些污染物可能通过污泥土地利用重新进入食物链，但传统处理技术对其束手无策。问题的核心在于，PFAS会与污泥中的"生物胶水"——胞外聚合物(EPS)结合，这种由蛋白质、多糖等构成的复杂基质，既能吸附污染物又可能改变其环境行为。然而，关于PFAS如何与污泥EPS相互作用的分子机制始终是未解之谜。

针对这一科学难题，广州某污水处理厂的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表重要成果。他们选取两种典型PFAS——全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)，通过紫外光谱、分子对接和分子动力学模拟等技术，首次揭示了污泥EPS与PFAS的相互作用图谱。研究采用热提取法从活性污泥中纯化EPS，构建了接近实际环境浓度(78.0 mg/L EPS与1000 ng/L PFAS)的实验体系，结合植物毒性实验评估生态风险。

【结构框架】紫外光谱显示，随着PFOA/PFOS浓度增加，EPS在254 nm处的吸光度下降，表明PFAS改变了EPS的芳香族氨基酸微环境。其中PFOA引起的构象变化更显著，暗示其结合能力更强。

【结合特性】分子对接发现，PFOA的羧基与EPS色氨酸残基形成强氢键网络，其C-F链则通过疏水作用嵌入蛋白质疏水口袋。相比之下，PFOS的磺酸基团因空间位阻导致结合位点减少，结合能计算证实PFOA(-6.2 kcal/mol)比PFOS(-5.8 kcal/mol)更稳定。

【动态行为】分子动力学模拟显示，EPS-PFOA复合物的均方根偏差(RMSD)波动比PFOS体系低30%，表明前者结构更稳定。关键结合残基(如Trp-214)在PFOA体系中保持稳定接触，而PFOS体系出现频繁解离。

【生态风险】水培实验证实，EPS-PFOA复合物对水稻根长的抑制率(46%)显著高于PFOS体系(28%)，这与PFOA更强的EPS结合能力直接相关——稳定结合的复合物更易被生物摄取并释放毒性。

这项研究首次从分子尺度阐明了污泥EPS与PFAS的"致命拥抱"机制：PFOA通过双重作用力(氢键+疏水作用)与EPS形成"锁死"结构，而PFOS因磺酸基的空间效应结合较弱。这一发现颠覆了以往认为PFOS环境风险更高的认知，指出PFOA-EPS复合物才是污泥处理中更隐蔽的"定时炸弹"。研究不仅为PFAS污染风险评估提供了新指标——结合稳定性，更为开发靶向阻断EPS-PFAS结合的污泥处理技术指明了方向。正如作者Jialin Liang强调的："理解污染物与生物基质的纳米级相互作用，是破解环境顽疾的关键钥匙。"