砷和镉对土壤中PFAS迁移的对比效应：机理分析与数学建模

《Journal of Hydrology》：Contrasting effects of arsenic and cadmium on PFAS transport in soils: Mechanistic insights and mathematical models

　　

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  链长和土壤电荷决定了全氟和多氟烷基物质（PFAS）的不可逆吸附和传输行为。
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  共存的As(V)/Cd(II)显著影响PFOS在土壤中的传输和滞留。
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  使用集成在Hydrus-1D中的TSM模型对PFAS的BTC进行了良好模拟。
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  预测了PFAS在共污染土壤中的长期传输和滞留过程。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）由于其极端的环境稳定性（Evich等，2022），作为普遍存在的合成污染物持续存在于各种环境介质中，包括空气（Ehsan等，2023）、土壤（Bolan等，2021）、沉积物（Yang等，2023）、地表水（Fu等，2024）和地下水（Liu等，2016）。其广泛分布、在痕量浓度下已被证实的生态毒性以及对降解的高度抗性，使得了解控制PFAS迁移速率的因素对于有效的场地管理和修复至关重要。国际上，PFOS和PFOA的地表水质量标准（SWQC）跨越数个数量级（Ruffle等，2023）。为保护人体健康，PFOS和PFOA的SWQC分别范围为0.0047至2,000 ng/L和0.022至12,000 ng/L，具体取决于暴露途径（如鱼类摄入、饮用水和娱乐接触）。此前一项关于土壤相关物种的研究表明，PFOS、PFOA和PFHxS的5%危险浓度（HC5）分别为39–6600 μg/kg、344–2447 μg/kg和500–2580 μg/kg（Liu等，2022）。

PFAS（如PFOS和PFOA）和重金属（HMs），如Cd、Cu、As、Cr和Pb，通常被发现共存于垃圾填埋场渗滤液、农业排水和工业废水中（Ahmed等，2024；Ahmed等，2023；Liu等，2024b）。具体而言，在中国浙江省某钢铁制造场地的土壤中检测到As（≤1270 mg/kg）、Cd（≤8.7 mg/kg）和∑PFAS（≤19.8 μg/kg），导致土壤微生物群落组成发生变化（Zhang等，2024）。随后，这些共污染物会同时释放并通过非饱和带淋滤进入地下水（Alam等，2024；Lyu等，2022），如美国西南部所证实的，在居民水井中检测到PFOS（3.5 × 10^?2 μg/L）、PFOA（8.7 × 10^?2 μg/L）和As（50.8 μg/L），且在旱季As(V)与PFOA之间呈现显著正相关（Van Horne等，2019）。因此，鉴于PFAS和重金属在地表环境中的广泛共存，了解重金属存在下PFAS的传输行为至关重要。

作为离子型和可电离污染物，PFAS和重金属在地表多孔介质中的命运受到含水层材料物理化学性质和水化学条件的强烈影响。与静态吸附相比，目前针对PFAS在非均质系统中动态传输的研究较少。混溶置换柱实验是在实验室条件下研究污染物滞留和传输行为的标准方法。现有研究已推进了我们对PFAS在各种多孔介质中传输行为的理解，包括一些天然土壤（Brusseau等，2021；Van Glubt等，2021；Garza-Rubalcava等，2025；Huang等，2022a；Liao等，2022；Xing等，2021）。例如，基于柱实验和反应性传输模拟，研究人员研究了PFOS在赤铁矿涂覆多孔介质中的传输行为，强调了表面电荷和离子强度的关键影响（Cogorno和Rolle，2024a）。类似地，Cr(VI)的存在降低了PFOS在多孔介质中的滞留量，这可能是由于PFOS和Cr(VI)在有机碳（OC）和无机表面（如金属氧化物和黏土矿物）上的竞争吸附所致（Huang等，2022b）。总体而言，这些研究表明PFAS的传输可受以下因素影响：(1) 分子特性，如链长；(2) 介质性质，包括孔隙大小分布、水力传导率、金属氧化物和有机碳含量；(3) 共存的污染物，如非水相液体（NAPLs）、微塑料和碳氢化合物表面活性剂（Gellrich等，2012；Ji等，2021；Liu等，2024a；Lyu等，2024；Rong等，2023）。尽管有这些认识，目前对PFAS和重金属在天然土壤中共传输行为的了解仍然有限。

开发数学模型（如对流-扩散模型和吸附模型）进行数值模拟，对于解释PFAS传输机制和预测传输动态至关重要。双位点化学非平衡模型（TSM）被广泛应用，并已被证明比平衡模型更适合模拟PFAS在多孔介质中的非理想传输（Umeh等，2024；Xing等，2021）。关键在于，在饱和条件下，PFAS在共存重金属影响下的滞留和传输在天然地质化学非均质土壤中预计表现出高度复杂性，这在共污染物相互作用的对比和定量分析以及风险预测方面代表了一个知识空白。因此，整合实验和建模方法对于系统评估共污染对土壤-地下水系统中PFAS传输和滞留的潜在影响至关重要。因此，本研究的目的是：(1) 通过一维柱实验和Hydrus-1D建模，研究水饱和土壤中阴离子型PFAS的传输行为以及非线性和速率限制吸附的影响；(2) 考察共存重金属对天然多孔土壤中每种PFAS滞留和传输的影响；(3) 模拟PFAS在不同土壤中的长期滞留和迁移过程。本研究的结果有望预测PFAS在复杂污染场地中的未来迁移趋势，从而为场地限制和修复策略的时空优先级提供实际指导。

章节摘要

化学品和土壤

本研究使用的化学品详见补充文本S1。从中国不同地区采集了三个具有代表性的表层土壤样品（0–20 cm）（表S1），分别命名为北京黏壤土（BJ，Isohumosols）、黑龙江黑壤（HLJ，Isohumosols）和江西红壤（JX，Ferrosols）。土壤样品的预处理和土壤理化性质的测定按照我们之前的研究进行（Zhang等，2025a）。详见

土壤中阴离子型PFAS的批次吸附-解吸实验

PFAS在三种土壤中的吸附能力总体上遵循PFOS > PFOA > PFHxS的顺序（图1、S1、S2）。现有数据中，三种PFAS和土壤的K_d值范围分别为：PFOS约23.8至50.3、PFOA为6.0至27.0、PFHxS为2.0至4.2（L/kg）（表S3）。三种土壤对PFAS的亲和力总体上遵循JX土壤 > BJ土壤 > HLJ土壤的顺序，表明疏水作用和静电相互作用的共同影响，与我们之前的研究一致（Zhang

结论

在本研究中，我们采用批次-柱实验和传输模型，全面阐明了As(V)和Cd(II)对三种阴离子型PFAS（PFOS、PFOA、PFHxS）的对比影响，并模拟了水饱和土壤中PFAS的长期传输过程。变化的物理和化学条件对土壤环境中PFAS的吸附和传输具有强烈影响。由于PFOA和PFHxS吸附量极少且质量传递速率高，预计它们可以

CRediT作者贡献声明

Wei Zhang：撰写—原稿、可视化、方法论、调查。Yajing Wang：可视化、方法论、形式化分析。Xueqi Zhang：可视化、调查、数据整理。Boyun Ma：方法论、调查。Yuting Wang：形式化分析、方法论、可视化。Bingyue Guo：软件、调查。Dongmei Zhou：资源、方法论。Qiming Xian：撰写—审阅与编辑、验证、资源、经费获取。

未引用参考文献

OECD Test No., 2000, Panieri et al., 2022.

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（编号：2022YFC3701404和2021YFC1809101）以及中央高校基础研究基金（编号：2022300301）的资助。

Wei Zhang|Yajing Wang|Xueqi Zhang|Boyun Ma|Yuting Wang|Bingyue Guo|Dongmei Zhou|Qiming Xian