饱和与非饱和多孔介质中6:2氟代全氟烷基磺酸运移过程中PFAS与细菌的同步相互作用

《Journal of Contaminant Hydrology》：Concurrent interactions between PFAS and bacteria during 6:2 fluorotelomer sulfonate transport in saturated and unsaturated porous media

　　

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  生物膜是一个被忽视的全氟和多氟烷基物质（PFAS）保留领域。
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  在非饱和条件下，生物膜贡献了6:2全氟癸烷磺酸（6:2 FTS）总保留量的42%。
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  生物膜和气-水界面共同控制PFAS的保留。
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  6:2 FTS暴露富集了耐受PFAS的微生物类群。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）的分子结构特征是具有至少一个甲基或亚甲基碳原子完全饱和氟原子（OECD, 2021）。PFAS表现出强两亲性以及卓越的热稳定性和化学稳定性，这推动了其在超过200种工业和商业领域中的广泛应用，包括消防泡沫、农药和化妆品（Buck et al., 2011; Lindstrom et al., 2011; Wang et al., 2017）。

非饱和带是PFAS的重要储库，储存着大量历史排放的污染物（Brusseau et al., 2020）。Strynar等人（2012）分析了来自6个国家的60个场地的表层土壤样本，估计全球表层土壤中全氟辛酸（PFOA）的负荷约为1860吨，全氟辛烷磺酸（PFOS）的负荷约为7000吨。Washington等人（2019）估计，8种PFAS（C6-C12）合计为全球土壤贡献了1500至9000吨的负荷。

在数千种PFAS中，PFOS和PFOA是环境中最为突出且研究最为广泛的两种化合物。2024年4月，美国环境保护署（EPA）最终确定了《国家初级饮用水法规》（NPDWR），在饮用水中为PFOA和PFOS设定了4 ng/L的最大污染物浓度限值（MCL）（USEPA, 2024）。然而，许多研究报告指出，多个地区的浓度超过了国家监管或咨询限值（Eschauzier et al., 2013; Ackerman Grunfeld et al., 2024），某些地下水系统中的PFAS浓度甚至达到了mg/L级（Xu et al., 2021; Johnson et al., 2022; Ruyle et al., 2023）。因此，PFAS污染已成为一个关键的全球环境问题（Ji et al., 2021b; Zhang et al., 2025）。

PFAS的迁移行为在非饱和带和地下水之间表现出显著差异，非饱和带中更强的保留主要归因于气-水界面的吸附作用（Brusseau, 2018; Guo et al., 2020; Brusseau et al., 2021; Gnesda et al., 2022; Ji et al., 2025）以及通常较高的土壤有机质和黏土含量（Sheng et al., 2021）。长链PFAS由于其更高的疏水性，在固-水界面（Guelfo and Higgins, 2013; Nguyen et al., 2020; Brusseau, 2024）和气-水界面（Brusseau, 2019; Brusseau and Van Glubt, 2021）上的吸附均大于短链PFAS。因此，长链PFAS预计在非饱和带中的迁移减少，并在表层土壤中积累更多。相比之下，短链PFAS预计更容易通过非饱和带迁移。这种差异性保留和迁移行为得到了野外调查和数学模型研究结果的支持（Zeng et al., 2021; Bigler et al., 2024; Jakobsen et al., 2026）。相比之下，饱和带中PFAS的吸附可能显著减弱，原因是吸附性土壤组分数量减少以及气-水界面通常不存在。因此，地下水中的PFAS迁移预计主要受水文动力学条件（例如地下水流速）控制。

非饱和带中居住着极为密集的微生物群落，每克土壤中含有高达10¹⁰至10¹¹个细菌（Claire Horner-Devine et al., 2003）。越来越多的证据突显了微生物在污染物迁移中的关键作用。例如，Zhang等人（2024）证明细菌吸附和载体效应强烈调节抗生素在多孔介质中的迁移，而He等人（2021）报告了细菌与微塑料之间的静电相互作用增强了带负电荷微塑料的保留并促进了带正电荷微塑料的迁移。此外，Smith等人（2017）表明细菌可以通过生物堵塞、气体产生和矿物还原等机制显著增强强碱性环境中⁹⁹mTc的保留。这些研究共同表明微生物可能影响地下环境中污染物的保留。

近期研究专门调查了细菌在PFAS迁移中的作用。Dai等人（2023）发现革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌在间歇和可混位移实验中均表现出对PFOS的强吸附能力，且两组之间无显著差异。类似地，Fu等人（2023）证明细菌生物膜显著增强了饱和多孔介质中PFOA的保留。结果表明增强保留的程度随细菌物种而变化，证明了微生物多样性在控制污染物迁移中的关键作用。据我们所知，细菌和生物膜对水非饱和条件下PFAS迁移的影响尚未被研究。

暴露于PFAS已被证明会显著影响微生物群落的结构和功能。例如，PFOS暴露降低了氮去除效率并改变了微生物群落组成（Lu et al., 2022），而PFOA和PFOS的较高浓度抑制了厌氧消化过程中的细菌活性（Choi and Kan, 2024）。此外，PFAS与氯代脂肪烃的共同存在显著降低了微生物多样性并选择性富集耐应激属（例如Acinetobacter、Pseudomonas）（Tang et al., 2022）。总体而言，这些发现表明PFAS可以扰乱微生物生态功能并可能损害地下环境中的生物降解效率。

尽管越来越多的证据表明生物膜可以影响PFAS的迁移，但相对于气-水界面吸附——目前公认的在非饱和带中占主导地位的保留机制——其作用仍然在很大程度上未得到解决。此外，将生物膜发育与PFAS保留和迁移联系起来的物理化学机制尚未得到系统评估。为弥补这些知识空白，本研究选择6:2全氟癸烷磺酸（6:2 FTS）作为代表性化合物——这是一种被广泛检测到的PFAS，也是水成膜泡沫的主要成分（Schultz et al., 2004; Backe et al., 2013; Dauchy et al., 2019）。利用模式微生物（Bacillus subtilis和Pseudomonas aeruginosa）以及从自然非饱和带介质和地下水中培养的细菌群落，本研究调查了生物膜发育、微生物物种和水流条件对饱和和非饱和多孔介质中6:2 FTS迁移和保留的影响。特别关注定量评估生物膜相关保留和气-水界面吸附的相对重要性，确定胞外聚合物（EPS）和生物膜诱导的表面性质变化在控制PFAS迁移中的作用，以及评估微生物群落对PFAS暴露的响应。研究结果提供了理解生物膜-界面耦合作用控制地下环境中PFAS命运和迁移的机制框架。

章节摘要

材料

6:2 FTS（C₆F₁₃CH₂CH₂SO₃H，CAS#27619–97-2，纯度98%）和五氟苯甲酸（PBA，纯度98%，CAS # 602–64-8）购自麦克林生物化学有限公司（中国上海）。PBA在所有实验中用作非反应性示踪剂（NRT）。PBA既不是PFAS也不是表面活性剂。所有溶液均以0.01 M NaCl作为背景电解质配制。石英砂（40至50目）用作多孔介质，并按照我们先前研究描述的方案进行预处理（Dai

NRT迁移

在饱和和非饱和条件下进行的NRT实验证实，柱体填充均匀且优先流的影晌可忽略不计（图S2）。接种细菌的砂柱所得到的NRT穿透曲线在形状和穿透时间与无菌对照相比几乎无可区分。此外，细菌物种、生物膜龄和水流速的变化均无可检测的影晌。

结论

本研究表明，微生物通过生物膜形成及其相关的胞外聚合物（EPS）在控制地下环境中6:2 FTS的保留和迁移方面发挥着关键作用。这些观察到的效应主要归因于生物膜形态、生物量丰度和EPS产生，它们共同改变颗粒的表面电荷、粗糙度和疏水性，从而对PFAS的迁移产生重大影响。在饱和系统中，

CRediT作者贡献声明

张新月（Xinyue Zhang）：初稿撰写、数据整理、概念化。严妮（Ni Yan）：审阅与编辑、项目管理、资金获取、概念化、分析与解释。张发旺（Fawang Zhang）：监督、调查。纪天辉（Tianhui Ji）：方法论。胡海英（Haiying Hu）：验证。马宇靖（Yujing Ma）：调查。付佳妮（Jiani Fu）：审阅与编辑。Mark L. Brusseau：审阅与编辑、分析与解释。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（编号：42277052、42430718和U2443208）、山东省自然科学基金（编号：ZR2024QD014）以及美国国家科学基金会水文学项目（2023351）资助。

Xinyue Zhang|Ni Yan|Fawang Zhang|Tianhui Ji|Haiying Hu|Yujing Ma|Jiani Fu|Mark L. Brusseau