《Water Research》：Per- and polyfluoroalkyl substances-driven enhancement of colloid-facilitated contaminant transport in groundwater
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PFAS污染可能通过改变胶体与孔隙介质相互作用增强地下水污染物迁移，研究采用三类土壤胶体（黄土、紫色土、黑土）及典型共污染物BDE-209，结合实验与模拟发现PFAS显著影响胶体表面特性及污染物吸附-解吸行为，揭示其通过表面活性效应促进污染物迁移的机制。
Jiameng Liu|Tianchi Cao|Tong Zhang|Thilo Hofmann|Wei Chen
环境科学与工程学院，教育部污染过程与环境标准重点实验室，天津大学环境修复与污染控制重点实验室，中国天津300350
引言
全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类日益引起环境关注的合成化学品。这些化合物被广泛用于工业和消费产品的制造（Dewapriya等人，2023年；Glüge等人，2020年），并且经常在土壤、地表水和地下水中被检测到（Tokranov等人，2024年；Xiao等人，2019年；Zweigle等人，2023年）。其中两种最常见的PFAS——全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）的浓度在污染源附近和泄漏点通常处于百万分之一（ppm）的水平，但在某些情况下可高达数百ppm（McMahon等人，2022年；Park等人，2024年）。地下水中的PFAS污染尤其令人担忧，因为超过15亿人依赖地下水作为饮用水来源，同时地下水还满足了全球约40%的灌溉需求（Ackerman Grunfeld等人，2024年；Kuang等人，2024年）。模型预测显示，仅在美国就有大约8000万人依赖受PFAS污染的地下水作为饮用水（Tokranov等人，2024年）。人类接触PFAS污染的水与多种健康风险相关，包括内分泌失调和免疫抑制（Fenton等人，2021年；Liu等人，2020年；Vuong等人，2020年）。了解PFAS在地下水中的迁移、传输及其环境影响对于风险评估和制定缓解PFAS污染的管理策略至关重要。
除了直接降低地下水质量外，PFAS还通过改变其他污染物的迁移行为带来生态和人类健康风险，并可能干扰修复过程。在土壤和地下水系统中，PFAS常常与其他多种污染物共存，例如多溴联苯醚（PBDE）、多环芳烃、多氯联苯和邻苯二甲酸盐（Garg等人，2020年；Sardi?a等人，2019年；Tang等人，2022年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2018年）。例如，在主要的PFAS污染源区域（如氟化工和其他工业制造设施、废水处理污泥改良场地以及垃圾填埋场），PFAS与PBDE的共存现象普遍存在（Choi等人，2025年；Gallen等人，2016年；Gottschall等人，2017年；Harrad等人，2020年）。最新研究表明，PFAS可能增强非水相液体（NAPLs）如喷气燃料、三氯乙烯和四氯乙烯的溶解度，从而促进这些污染物在石英砂中的迁移（Costanza等人，2020年；Liao等人，2021b）。此外，有证据表明，PFAS吸附在零价铁上会阻塞活性位点，抑制三氯乙烯的脱氯反应（Chen等人，2024年）。
PFAS的一个先前未被认识到的风险是，这些化学物质可能会增强地下水中胶体介导的污染物传输。PFAS具有类似表面活性剂的结构，其疏水尾部由氟化烷基链组成，亲水头部为羧酸或磺酸基团。因此，PFAS可能通过调节颗粒与多孔介质之间的相互作用显著影响胶体的传输。这一效应具有重要意义，因为胶体是地下水中污染物的主要载体（Alimi等人，2018年；Liu等人，2024年；Qiu等人，2020年）。这一过程在受到水膜形成泡沫（AFFF）影响的污染源区域以及严重污染的制造场所尤为重要，因为在这些地方，地下水调查中报告的PFOS和PFOA浓度可达到ppm级别（Johnson等人，2022年；Ruyle等人，2023年）。
本研究的目的是探讨PFAS污染如何影响土壤胶体及其所结合污染物的迁移性。从中国不同地质区域的土壤中提取了胶体样本，包括来自中国西北部黄土高原的黄土（Entisol）、西南部的紫色土壤（Inceptisol）和东北部的黑土（Mollisol）。对这些胶体的物理化学性质进行了表征。选择十溴联苯醚（BDE-209）作为模型污染物，它是商业十溴联苯醚制剂中的主要成分，也是土壤、沉积物和受污染环境中最丰富的PBDE之一（Ji等人，2017年；Sun等人，2024年）。通过柱实验研究了PFOS和PFOA的存在对土壤胶体穿透和保留的影响，以及BDE-209与胶体的共传输情况。使用石英晶体微天平（QCM-D）和原子力显微镜（AFM）表征了PFAS与固体表面之间的相互作用。通过分子动力学（MD）模拟了解了PFAS分子在分子层面的结合能和构型。我们的发现突显了PFAS的潜在风险，并强调了深入理解控制PFAS界面过程的结构-活性关系的必要性。
材料与化学品
全氟辛烷磺酸钾盐（PFOS，纯度98%）、全氟辛酸（PFOA，纯度95%）和BDE-209标准品购自Sigma-Aldrich（美国）。PFAS的内标来自Wellington Laboratories（加拿大）。替代标准BDE-77和内标BDE-118来自AccuStandard（美国）。研究中使用的所有溶剂，包括正己烷、丙酮、甲苯和甲醇，均为HPLC级。无机盐类，包括MgSO?·7H?O、KNO?等，也均符合HPLC级标准。
土壤胶体的特性
这三种类型的土壤胶体具有相似的形态和整体表面电荷，但在矿物组成和有机物含量上存在差异。具体而言，SEM和TEM图像显示，所有三种土壤的胶体颗粒都具有类似的片状形态，主要元素为Si、Al、K和Fe（图1a）。XRD光谱显示了不同矿物成分的特征峰，包括石英（2θ值分别为20.9和26.6）。
结论
PFAS在土壤和地下水系统中的普遍存在引发了严重的环境问题。除了直接降低地下水质量外，PFAS还通过影响共存污染物的环境行为带来生态和人类健康风险。本研究的结果强调了PFAS在增强地下水中胶体介导的污染物传输方面的潜在风险。虽然仅以BDE-209作为模型污染物进行了测试，但研究结论可能具有普遍性。
CRediT作者贡献声明
Jiameng Liu：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、可视化、数据分析、验证。
Tianchi Cao：撰写——初稿、审稿与编辑、概念构思、方法论、可视化、数据分析。
Tong Zhang：撰写——审稿与编辑、研究、验证、项目监督、资金筹集。
Thilo Hofmann：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析、资金筹集。
Wei Chen：撰写——初稿、审稿与编辑。
未引用的参考文献
Liao等人，2021a；Liao等人，2021b
补充材料
本文的补充材料可在在线版本中找到。
