Cometabolic and Nutrient-driven Defluorination and Transformation of Per- and Polyfluoroalkyl Substances by Metabolically Versatile Bacteria

《Journal of Hazardous Materials》：Cometabolic and Nutrient-driven Defluorination and Transformation of Per- and Polyfluoroalkyl Substances by Metabolically Versatile Bacteria

　　**摘要**- 土壤细菌分离株能够共代谢降解C1–C6全氟和多氟烷基物质（PFAS）- 这些分离株以6:2氟代缩二乙二醇磺酸（6:2 FtS）、6:2氟代缩二乙二醇磺酰胺烷基甜菜碱（6:2 FtSaB）和*N*-乙基全氟辛基磺酰胺（*N*-EtFOSA）作为生长所需的硫（S）和/或氮（N）源- *Cupriavidus* CuC1以6:2 FtS作为硫源进行生长，并对多种C1–C6 PFAS进行脱氟处理- CuC1和*Pseudomonas* PsB在氮源利用方面对6:2 FtSaB的去除量大于在硫源利用方面的去除量- *Variovorax* VaC1同化6:2 FtS，产生包括α-OH 6:2 FtS在内的代谢产物---## 引言全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类合成化合物，以防水防油和优异的热稳定性及化学稳定性为特征，被广泛用于各类商业和工业产品中[1]。然而，由于全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）等长链PFAS的毒性、生物累积性和持久性引发关注，许多国家已逐步淘汰长链（≥ C8）PFAS的生产[2]。作为对PFAS全球管控的回应，短链PFAS在各类消费品中取代了其长链同类产品，包括地毯、纺织品、喷雾剂和涂料等，并且已在废水、土壤、沉积物、地下水和垃圾填埋渗滤液中被检出[3]–[11]。例如，基于氟代缩二乙二醇（FT）的PFAS——6:2氟代缩二乙二醇磺酸（FtS），被广泛用于电镀设施中作为消雾剂，或在水成膜泡沫（AFFF）中作为直接成分、杂质或降解产物。其他PFAS如6:2氟代缩二乙二醇磺酰胺烷基甜菜碱（FtSaB）、5:1:2氟代缩二乙二醇甜菜碱（FtB）和5:3 FtB目前存在于AFFF中[12]。最重要的是，6:2 FtSaB已显示出对植物[13]和真核生物[14]、[15]的毒性效应。尽管长链PFAS已在国际上被逐步淘汰，*N*-乙基全氟辛基磺酰胺（*N*-EtFOSA）在发展中国家仍作为杀虫剂使用[16]。该化合物可降解产生大量PFOS[17]、[18]和全氟辛基磺酰胺（FOSA）[16]、[19]，从而加重环境中的PFOS负担。纯培养物对PFAS生物降解的研究仍然有限。对氟代缩二乙二醇醇（FtOH）和6:2 FtS生物降解的研究揭示了碳类型在诱导特定酶以促进这些基于FT的PFAS生物转化和脱氟方面的关键作用[20]–[23]。例如，以1-丁醇（BuOH）为碳源培养的*Pseudomonas butanovora*（现更名为*Thauera butanivorans*）将6:2 FtOH转化产生全氟羧酸（PFCA）。然而，在乳酸存在时，*P. butanovora*在6:2 FtOH生物降解过程中既能产生PFCA，也能产生5:3氟代缩二乙二醇羧酸（FtCA）[23]。此外，BuOH也是*Rhodococcus jostii* RHA1在6:2 FtS生物降解过程中有效的碳源[20]、[21]。据报道，以乙酸盐为碳源培养的*Gordonia* sp. NB4-1Y在作为硫源使用时可降解70%的人工添加6:2 FtSaB[24]。在土壤微宇宙中添加苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯等芳香族化合物可增强6:2氟代缩二乙二醇硫醚酰胺磺酸（FtTAoS）的降解[25]。然而，6:2 FtSaB在污泥或土壤微宇宙中仍表现出高度持久性[26]。虽然有报道在好氧土壤中*N-EtFOSA的生物转化主要以PFOS为终产物[17]，但目前尚无纯培养物能够去除*N*-EtFOSA或将该PFAS作为生长营养物利用。*R*. *jostii* RHA1、*Gordonia* sp. NB4-1Y或*Dietzia aurantiaca* J3对含硫PFAS（如6:2 FtS或6:2 FtSaB）的生物降解发生在硫限制条件下，此时需要表达ssuD（烷烃磺酸单加氧酶）才能进行这些含硫PFAS脱磺酸化的第一步[20]、[27]。含氮PFAS如6:2 FtSaB和*N*-EtFOSA在环境中高度稳定[12]。目前尚无研究报道纯培养物对其降解或利用其作为唯一氮源。尽管PFAS（< 3%）在AFFF中作为活性成分[12]，但非PFAS成分，如有机溶剂和烃类表面活性剂，其含量要高得多（在AFFF浓缩液中占15–30% [v/v]）[28]、[29]。某些非PFAS成分已被证明影响PFAS的生物降解。例如，二乙二醇单丁基醚（DGBE）是最常见的非PFAS成分，已被证明可在不同氧化还原条件下促进6:2 FtTAoS的降解[25]、[30]–[32]。此前，我们报道了一种月桂酰两性乙酸钠（CPB）富集土壤培养物能够降解6:2 FtS，独特地积累5:3 FtCA，并显示出降解6:2 FtSaB中间体的潜力[33]。该CPB富集土壤培养物以*Variovorax*和*Pseudomonas*为主导菌群[33]。然而，关于富集培养物中哪些微生物负责PFAS生物降解和/或生物转化的知识仍然匮乏。为解决上述空白，我们报道了从CPB富集培养物中筛选出的新型PFAS降解菌株的特征表征，该培养物已具有降解多种基于FT的前驱体的能力[33]。详细的分离程序、系统分类鉴定及选定分离株的全基因组测序已在先前报道中描述[34]。简要而言，这些分离株被鉴定为*Cupriavidus*、*Pseudomonas*和*Variovorax*属的成员，能够以CPB或甜菜碱作为主要碳源生长。首先，对这些分离株针对4:2 FtOH的脱氟能力进行了筛选。在分离株中，从三个代表性属中选取了三个菌株，进一步评估它们对其他二十种PFAS类型或链长和官能团不同的单氟含氟化合物的脱氟或降解能力。随后，在硫或氮限制的生长条件下，进一步评估这些菌株对含营养元素PFAS的生长和去除能力，包括6:2 FtS（作为硫源）、6:2 FtSaB（作为硫源或氮源）和*N*-EtFOSA（作为硫源或氮源）。此外，我们还考察了多种可降解碳源对菌株去除PFAS效果的影响。所评估的碳源列表包括葡萄糖、酸（C2和C8）、醇（C1–C4）、烷烃（C6和C8）、苯酚、甜菜碱以及AFFF中的非PFAS成分——有机溶剂（乙二醇[EG]、己二醇[HG]、二乙二醇单丁基醚[DGBE]）和烃类表面活性剂（CPB、聚乙二醇400[PEG400]、十二烷基硫酸钠[SDeS]、辛基硫酸钠[SOcS]、CG-110和X-100）。---## 各章节摘要### 化学品与培养基本研究共使用了二十一种不同链长和官能团（包括磺酸、甜菜碱、磺酰胺、醇、酸、醚、酯和酮）的PFAS及单氟含氟化合物（表S1）。6:2 FtOH、4:2 FtOH、6:2 FtCA、5:2酮、4:3 FtCA和5:3 FtCA的储备液以甲醇（MeOH）配制。所有其他PFAS储备液以水配制[33]。共使用二十种不同的碳基质，包括糖类、羧酸盐等。### CPB和/或甜菜碱利用分离株的鉴定与表征从具有降解6:2 FtOH和利用6:2 FtS作为唯一硫源能力的CPB富集土壤培养物中，分离出八种能够以CPB或甜菜碱作为唯一碳源的细菌菌株[33]。月桂酰两性乙酸钠（CPB），主要由LPB组成，是一种存在于AFFF中的烃类表面活性剂[39]。甜菜碱可能在AFFF浓缩液中发挥防冻剂的作用[40]。基于全长16S rRNA基因序列，八种分离株之间高度相似……### 结论在本研究中，我们并行评估了不同分类群的菌株降解和/或转化各类PFAS的能力，通过共代谢和/或营养驱动代谢机制实现。研究结果扩展了有限的PFAS降解菌库，尤其是能够利用PFAS作为生长营养物的微生物。此外，尽管AFFF被广泛使用且在环境中已检测到AFFF相关的非PFAS成分[28]、[29]，但微生物……### 研究意义声明本研究鉴定出新型细菌菌株——*Cupriavidus* sp. CuC1、*Pseudomonas* sp. PsB和*Variovorax* sp. VaC1，能够通过共代谢和/或营养同化作用去除PFAS。我们证明，土壤原生细菌能够利用PFAS作为氮或硫源进行生物转化，揭示了一种被广泛忽视的PFAS生物转化驱动机制。已知的PFAS降解微生物本就稀缺，本研究的结果还挑战了人们对……的看法。### CRediT作者贡献声明**Jinha Kim：** 论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、可视化、验证、软件、资源、方法学、调查研究、正式分析、数据整理、概念构思。**Jiaju Fu：** 验证、软件、资源、方法学、数据整理、概念构思。**Field Jennifer：** 论文撰写——审阅与编辑、资源、经费获取、概念构思。**Kung-Hui Chu：** 论文撰写——审阅与编辑、指导监督、资源、项目管理、经费获取……### 利益冲突声明作者声明以下财务利益/个人关系可能构成潜在利益冲突：Kung-Hui Chu报告获得了战略环境研究与发展计划的财务支持。Kung-Hui Chu报告获得了美国环境保护署的财务支持。如有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为与本文报告的研究有关。### 致谢本研究由战略环境研究与发展计划（ER22-3124）、环境保护署资助项目（编号84095701）以及德州农工大学定向提案团队计划（拨款编号M2401382）资助。---Jinha Kim | Jiaju Fu | Jennifer A. Field | Kung-Hui Chu