PFAS与重金属/类金属在土壤—植物—人体连续体中的耦合归趋与级联风险：一篇批判性综述

《Applied Soil Ecology》：Coupled fate and cascading risks of PFAS and heavy metals/metalloids along the soil-plant-human continuum: A critical review

　　

• 离子类型和价态调节PFAS在土壤界面处的保留与迁移
• 根际生态系统与根屏障调节PFAS和金属向农作物的转移
• 金属胁迫可改变链长依赖的PFAS在植物中的分配
• 营养放大作用具有化合物特异性、金属特异性和生态系统特异性
• 混合物风险评估应整合生物可及性与非加和性

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）与重金属/类金属是持久性污染物组，在受污染的土壤、沉积物和地下水中存在来源上的重叠。PFAS至少含有一个完全氟化的甲基（–CF3）或亚甲基（–CF2–）碳原子（Wang et al., 2021），已被广泛用于纺织品涂层、表面活性剂、农药助剂、水成膜泡沫及电子化学品等领域（Adu et al., 2023）。其环境输入途径包括工业排放、灭火泡沫使用、污水灌溉、大气沉降以及生物固体的土地利用；据估计，美国每年生物固体中含有约2749–3450 kg PFAS（Adu et al., 2023）。这些输入使土壤既是长期储存库，也是控制污染物向孔隙水、作物和地下水转移的关键关口（Xu et al., 2021; Han et al., 2025）。PFAS的迁移性与生物积累性随链长、官能团、电离状态、基质类型及生物体种类而异。长链全氟烷基酸（PFAA）通常表现出更强的吸附性、蛋白质结合能力和根部保留能力，而短链类似物在孔隙水中往往迁移性更强，更易向地上部转位（Shahsavari et al., 2021）。据报道，工业场地土壤中PFAS含量约为0.1–100 mg kg?1。而农业土壤中更宽泛的1–1000 μg kg?1范围应被理解为涵盖受生物固体、污水及工业影响的农田的情景包络值，而非普遍存在的农业背景浓度（Xin et al., 2025）。全氟辛烷酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）已在多个司法管辖区受到限制，其环境持久性和多年的人体消除半衰期持续引发长期暴露的担忧（Bartell et al., 2010; Li et al., 2018; Olsen et al., 2007; Brunn et al., 2023; ECHA, 2023）。

重金属/类金属通过母质风化、采矿与冶炼、化石燃料燃烧、污水、粪便、肥料、农药及工业废物等途径进入农业和工业土壤（Parida and Patel, 2023）。由于"重金属"在毒理学上的定义不够精确，且本综述还纳入了砷等类金属，因此我们统一使用"重金属/类金属"或明确标注元素及其氧化态（Duffus, 2002）。其迁移性受pH、氧化还原电位、Fe/Mn氧化物、有机质及化学形态的控制；其中许多在根系区被保留，从而可能改变微生物活性、根屏障功能及作物吸收（Yoon et al., 2022; Le et al., 2026）。其毒性机制涉及巯基结合、酶抑制、氧化应激、线粒体功能障碍以及对生物屏障的损伤（Parida and Patel, 2023）。共同污染源于共同来源与空间重叠，但共现本身并不能确立化学相互作用的存在。例如，PFOS曾被用作电镀中的铬雾抑制剂（Li et al., 2017），PFAS与金属在电子废弃物及钢铁工业场地中共现（Cai et al., 2023; Zhang et al., 2024），水稻系统中也已报道联合作物负担（Attia et al., 2026）。相邻共胁迫研究同样表明为何必须从机制层面解析土壤条件：在模拟酸沉降条件下，微塑料暴露改变了生菜中Cd的积累和多组学响应（Chen et al., 2025），这进一步支持了测量根际化学环境与生物功能的必要性，而非仅从总浓度推断混合物效应。需指出的是，该研究并非PFAS的直接证据，仅作为方法学类似物参考。

本综述统一使用四个术语。"共现"指在同一场地、基质或生物体中检测到，但不暗示存在相互作用。"共吸附"指一种污染物在共享界面处因另一种污染物的存在而导致固-液分配发生变化的现象。"共分配"或"共同分配"描述各相、组织或亚细胞组分之间发生相关性变化，但未证明污染物是共同移动的。"共转运"仅保留用于在直接观测到的耦合条件下通过介质同时移动的情况；"复合介导转运"则是更狭义的情形，即经表征的PFAS-金属复合物本身被证实可以发生迁移。这些术语的区分旨在防止将场地共现、吸收改变与真正的联合转运混为一谈。此外，作用方向并非本质上是协同的：高浓度Cu在玉米中促进了非离子有机污染物的转移，却抑制了离子态PFOS的转移，这说明了电荷、剂量、结构及膜状态的作用（Song et al., 2021）。此前综述已就PFAS的来源、作物吸收、植物毒性、生物积累与转运进行了阐述（Ghisi et al., 2019; Adu et al., 2023; Li et al., 2022a; Costello and Lee, 2024; Abou-Khalil et al., 2022; Khurana et al., 2022）。近期综述亦对PFAS共同污染物的发生及联合毒性进行了综合（Liu et al., 2026）。当前尚存的空白并非再列出一份单一污染物的效应清单，而是需要对PFAS-金属相互作用何时改变方向、哪些证据是直接性的、土壤生态过程如何缓冲或传递暴露、以及拟议机制在哪些环节仍未经验证进行关键性比较。因此，表1将本综述定位于证据边界及"土壤-根际-植物-食物链-人体"连续体的框架中。

本综述推进了四个相互关联的命题。第一，价态依赖的界面框架预测，阳离子可通过酸化、电荷中和及阳离子桥接作用增强某些阴离子PFAS的保留，而竞争性氧阴离子则可能增加其迁移性；两个方向均取决于土壤和PFAS的性质。第二，链长-膜损伤框架解释了金属胁迫如何扰乱短链PFAS（具有迁移性）与长链PFAS（根部保留）之间的基线对比，而不假设完整PFAS-金属复合物的转运。第三，我们将根际分泌物、丛枝菌根真菌、细菌及土壤动物视为生态关口，而非被动隔室。第四，根际有机酸系统与肠道短链脂肪酸系统仅作为不等同的pH-络合微环境进行比较。这些命题将依据矛盾性发现进行测试，并分配证据等级如下；表2提供了定量锚点，同时标注了研究设计与环境相关性。

文献基础通过从数据库建立至2026年6月15日对Web of Science核心合集、Scopus和PubMed进行定向检索而汇编，并辅以向后和向前的引文追溯。核心布尔组合式为：（"per- and polyfluoroalkyl substances"或PFAS或PFOA或PFOS或GenX或HFPO-DA或F-53B或ADONA）且（"heavy metal*"或"metalloid*"或镉或铅或铜或铬或砷或汞）且（土壤或根际或植物或作物或"soil fauna"或"food web"或生物可及性或混合物）。此处，GenX为六氟丙烯氧化物二聚体酸（HFPO-DA）的铵盐，F-53B为6:2氯化多氟烷基醚磺酸盐，ADONA为4,8-二氧杂-3H-全氟壬酸铵。额外的聚焦检索将PFAS相关术语与吸附、孔隙水、根部分泌物、菌根、弹尾虫、线虫、凯氏带、胃肠道及混合物风险等术语配对使用。

纳入来源为报告了与"土壤-植物-食物链-人体"连续体相关的环境发生、界面过程、生物吸收、毒性或评估方法的同行评审研究或权威风险评估文件。我们优先考虑具有明确基质、剂量、对照和分析终点的研究。当污染物身份、暴露设计或终点无法明确解析时，相关研究从机制综合中排除；综述类文献仅用于提供背景和引文追溯，而非视为独立实验证据。由于证据在基质和终点方面存在异质性，本文为关键性叙述综述，而非PRISMA系统综述或Meta分析，亦未计算合并效应量。证据被划分为三个等级：已建立机制要求相关基质中PFAS-金属/类金属的直接共同暴露证据，并辅以重复实验或独立/收敛性支持；新兴证据包括仅限于单一或少量系统的直接观察，或混合物机制尚未解析但证据一致的相邻领域发现；假说则是从单一污染物研究或不同系统研究中推断的路径，尚未在PFAS-金属共同暴露条件下直接验证。定量数值作为各研究特定的锚点呈现，附注其设计与环境相关性（表2），所有拟议机制在正文、表3及图1、图2、图3、图4、图5中均保持一致标注。

各节摘录

吸附-脱附和固-液分配的价态依赖调节

在土壤界面处，PFAS-金属/类金属相互作用的方向首先取决于离子形式，其次取决于基质条件。Pb2+、Cu2+、Zn2+和Cd2+等阳离子可通过降低pH、中和负表面电荷、压缩双电层或形成阳离子桥接等方式，增强某些阴离子PFAS在固相中的保留。相比之下，Cr(VI)、As(V)和硫酸盐等氧阴离子可与阴离子PFAS竞争Fe/Al氧化物、黏土矿物及有机质上的正电荷吸附位点。

根部进入途径与膜渗透性调节

基于上述土壤分配和根际过程的分析，植物吸收风险取决于PFAS和重金属/类金属能否从孔隙水或根部表面结合态迁入根部组织，并进一步穿越质膜、皮层及中柱屏障。共同吸收并非单向增强，而取决于PFAS的链长与官能团、金属浓度与价态、根屏障完整性以及植物基因型。在小麦水培试验中，高浓度Cu……

土壤与底栖生物中的亚细胞分配与个体毒性

土壤动物既是暴露受体，也是生态调节者。对繁殖、孵化、分解及养分循环的影响可在污染物到达脊椎动物之前改变食物链进入路径。因此，本节区分了直接混合物生物积累证据与单一PFAS危害证据以及跨物种浓度比较。土壤和底栖生物将孔隙水的生物可利用性与食物链进入及土壤功能（如分解和养分循环）联系起来。

膳食摄入、母婴传递与饮用水暴露

膳食暴露将土壤污染与人体风险联系起来，但可控的上游决定因素包括源负荷、孔隙水浓度、根际转化、土壤动物转移、根屏障功能及作物分配。这些土壤生态过程构成第一道防线，因为它们调节了进入食品和水的可移动毒性当量。危害商（HQ）、目标危害商和危害指数（HI）可提供筛查性估计，但其结果取决于参考剂量……

主要结论

PFAS-金属/类金属相互作用具有条件依赖性。直接土壤研究最一致地支持阳离子通过酸化/电荷屏蔽/桥接作用增强保留以及氧阴离子通过位点竞争增强迁移性的结论，但效应量随PFAS结构、土壤矿物学、有机质含量、pH及剂量而变化。在植物中，短链PFAS的地上部迁移性和长链PFAS的根部保留是有用的基线参考，而非不可变的规律。直接高剂量共同暴露研究表明，金属胁迫……

CRediT作者贡献声明

李欣瑶：撰写——初稿。朱鑫：资源，调查。孙彩云：资源。陈刚：资源。惠坤龙：撰写——审阅与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家重点实验室土壤污染防控与安全开放项目（编号SPCS-2025-02009）及国家自然科学基金（编号22308342）提供资金支持。

李欣瑶|朱鑫|孙彩云|陈刚|惠坤龙