漆酶-介体系统中6:2氟调聚磺酸(FTS)的转化研究

《Frontiers in Environmental Engineering》：Transformation of 6:2 fluorotelomer sulfonic acid in laccase-mediator systems

　　

这项概念验证研究报告了在漆酶-介体系统（LMS）中，通过酶催化氧化腐殖化反应（ECO-HRs）可能实现6:2氟调聚磺酸（6:2 FTS）的转化。研究中使用了粗酶或纯化的漆酶，并由一种合成化学物质（1-羟基苯并三唑，HBT）或一种天然有机材料（豆粕提取物，SBMe）作为介体。与对照组相比，含有粗漆酶、SBMe和10 mM CuSO4的LMS表现出23.8%的浓度降低（三个技术重复的平均值）。可吸附有机氟降低了34.8%，为转化和潜在降解提供了支持性观察证据。高分辨率质谱（HRMS）分析揭示了一系列从C8到C3的暂定转化产物，包括C3F7O3S，这是一个此前未见报道的6:2 FTS转化产物候选分子式，可能与全氟丙烷磺酸盐（PFPrS）一致。此外，计算得出的6:2 FTS中C-C键和C-S键的键解离能（BDEs）高于全氟辛烷磺酸（PFOS），这或许可以解释不同研究中观察到的降解差异。这些发现强调了ECO-HRs在转化全氟和多氟烷基物质（PFAS）前体方面的潜力。未来对复杂土壤系统中PFAS混合物转化的研究，可为将ECO-HRs作为一种潜在的经济有效的修复技术应用于广阔农田和牧场提供可行的见解。

论文解读

研究背景与目的

全氟和多氟烷基物质（PFAS）因其独特的稳定性而被广泛用于众多工业产品和消费品，但也因此导致了其在生态系统中的普遍存在，并对人类健康构成潜在威胁，如肝脏疾病、肾脏疾病和甲状腺癌等。随着对长链PFAS（如全氟辛烷磺酸，PFOS和全氟辛酸，PFOA）的监管日益严格，工业界转向了被认为毒性较低、累积性较弱的短链替代品，其中就包括6:2氟调聚磺酸（6:2 FTS）。然而，6:2 FTS在好氧条件下降解缓慢，厌氧条件下几乎不降解，并且会转化为更持久的全氟烷基酸（PFAAs），因此在环境中被频繁检出。

现有的生物降解研究多集中于微生物群落，而关于真菌胞外酶，特别是漆酶，对6:2 FTS作用的研究非常有限。此前的研究表明，由漆酶-介体系统（LMS）诱导的酶催化氧化腐殖化反应（ECO-HRs）能够成功转化PFOS和PFOA。基于此，研究人员提出假设：ECO-HRs也可能有效转化PFAA前体——6:2 FTS。本研究旨在系统地探究在由不同漆酶来源（纯化漆酶与粗漆酶）和不同介体（合成介体HBT与天然介体豆粕提取物SBMe）构成的LMS中，6:2 FTS的转化行为，并评估二价铜离子（Cu²⁺）的协同效应，以期填补ECO-HRs在转化6:2 FTS这一常见PFAS前体方面的知识空白，为开发经济有效的PFAS污染修复技术奠定基础。

关键技术方法

1. 1.
   实验体系构建：研究人员建立了两种类型的漆酶-介体系统（LMS）：一种使用来自曲霉属（Aspergillus sp.）的纯化漆酶，另一种使用来自革盖菌属（Pycnoporus sp.）SYBC-L3的粗漆酶。每种酶系统分别与合成介体1-羟基苯并三唑（HBT）或天然介体豆粕提取物（SBMe）组合，并设置了添加或不添加10 mM CuSO₄的处理组。
2. 2.
   化学分析方法：采用超高效液相色谱-串联质谱法（UPLC-MS/MS）定量分析6:2 FTS的浓度变化。利用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪（FTICR-MS）鉴定反应产物，通过与包含超过10,000种PFAS的质谱库比对，在1.0 ppm的质量误差容限内进行匹配。
3. 3.
   吸附有机氟分析：通过燃烧离子色谱法（CIC）测定特定处理组样品中的可吸附有机氟（AOF）含量，用以支持转化和潜在降解的判断。
4. 4.
   理论计算：使用Material Studio软件中的DMol3模块，通过密度泛函理论（DFT）计算6:2 FTS及其参比PFAS化合物中主链C-C、C-O和C-S键的键解离能（BDE），以解释其降解行为的差异。

研究结果

3.1 ECO-HRs过程中6:2 FTS浓度的变化

在为期119天的实验中，与各自的对照组相比，各处理组的6:2 FTS浓度均显示出不同程度的降低。其中，使用粗漆酶、SBMe介体并添加CuSO₄的处理组（CLNMC）效果最佳，相对于合成介体对照（SMC-Control），6:2 FTS浓度下降了23.8%。使用相同体系的纯化漆酶处理组（PLNMC）也观察到8.0%的下降。研究发现，Cu²⁺的加入总体上促进了浓度降低，这可能归因于金属离子的桥接作用。而仅含酶不含介体的对照组（EN-control）中6:2 FTS回收率接近100%，表明观察到的浓度降低主要源于转化而非酶表面的吸附。

3.2 ECO-HRs过程中的酶活性

数据显示，展现出较高转化效率的处理组（如CLNMC、CLSMC、PLSM、PLNMC），其残留酶活性在整个实验周期内都维持在较低水平（低于设定的1 U/mL实验水平）。这表明酶的消耗与底物的转化过程相关联。同时，添加CuSO₄的反应器通常表现出更低的残留酶活性，进一步支持了Cu²⁺在促进酶与底物相互作用中的桥接作用。

3.3 6:2 FTS在ECO-HRs中的暂定转化产物

通过高分辨质谱（HRMS）分析，在添加CuSO₄和SBMe的粗漆酶（CLNMC）和纯化漆酶（PLNMC）处理组中，鉴定出一系列碳链长度从C8到C3的含氟化合物。值得注意的是，纯化漆酶体系（PLNMC）检测到了更多种类的产物（38种），而粗漆酶体系（CLNMC）产物种类较少（12种），这可能是因为粗酶液中存在的其他蛋白质和辅因子促进了更深度的转化。检测到的产物包括一些具有头基修饰、氟原子数减少的C8化合物，以及一系列碳链长度递减的碘代化合物，暗示了潜在的逐步降解路径。特别地，研究人员首次发现了C₃F₇O₃S这个候选分子式，其可能与全氟丙烷磺酸盐（PFPrS）一致，且硫原子的保留表明了ECO-HRs对6:2 FTS结构的非特异性作用。然而，常规的末端全氟羧酸（PFCAs）如全氟庚酸（PFHpA）等未被检测到。

3.4 6:2 FTS的键解离能（BDE）

为了解释6:2 FTS在不同研究中表现出的降解效率差异，研究人员计算了其BDE。结果显示，6:2 FTS骨架中连接全氟化尾部和氢化连接链的α-碳处的C-C键，其BDE显著高于全氟化化合物PFOS。这种局部键能的增强可能源于Bent规则和结构不对称性导致的电子极化效应，使得该位置的化学键异常稳定，从而解释了6:2 FTS的相对顽固性。

3.5 豆粕提取物（SBMe）作为天然介体的作用

研究表明，仅在一次初始投加后，含有SBMe的处理组在整个119天的实验周期内都能维持足够的酚类化合物来驱动ECO-HRs。与需要每周补充的合成介体HBT相比，SBMe体系，尤其是在添加铜离子的情况下，展现出了更好的转化效率和长期稳定性。此外，SBMe的低成本以及使用粗漆酶可省去高达80%的下游纯化成本，凸显了该系统在实际应用中的经济优势。

结论与展望

这项概念验证研究首次报告了6:2 FTS在不同漆酶-介体系统（LMS）中的转化。研究人员得出结论，粗漆酶与豆粕提取物（SBMe）结合，并补充CuSO₄的组合（CLNMC）表现出最高效率，相较于对照组转化了约24%的6:2 FTS浓度。该体系还显示出约35%的可吸附有机氟（AOF）降低，连同观察到的浓度降低，共同指示了转化和潜在的降解。高分辨质谱（HRMS）分析揭示了从C8到C3碳链的暂定转化产物，并首次识别出一个可能与全氟丙烷磺酸盐（PFPrS）一致的候选分子式（C₃F₇O₃S）。此外，键解离能（BDE）计算表明，6:2 FTS在α-碳处的C-C键和C-S键具有比全氟辛烷磺酸（PFOS）高得多的BDE，这或许可以解释其在不同研究中表现出的可变转化效率。

未来的工作应聚焦于在环境相关的土壤基质中进行转化研究，并评估使用CuSO₄可能带来的生态毒理效应。其他优先事项应包括量化降解产物并明确ECO-HRs中的降解途径。