综述：21世纪的持久性有机污染物（POPs）：新兴的修复技术及未来发展方向

《Microchemical Journal》：Persistent organic pollutants (POP, s) in the 21st century: Emerging remediation technologies and future directions

本文综述了持久性有机污染物（POPs）的治理挑战，分析了传统方法的局限性，探讨了纳米技术、高级氧化过程、光催化及人工智能等新兴技术的优势与挑战，并提出需加强多学科融合及生态友好型解决方案的研究。

　　

Aeyaz Ahmad Bhat | Meraj Ahmed | Noureddine Elboughdiri | Jaskaran Singh | Karim Kriaa | Chemseddine Maatki | Bilel Hadrich | Atif Khurshid Wani

印度旁遮普邦Phagwara 144411，Lovely Professional大学化学工程与物理科学学院

摘要

持久性有机污染物（POPs）由于其极高的毒性、难以降解以及在生态系统中的生物累积性，成为全球最紧迫的环境挑战之一。传统的物理、化学和生物修复策略在可扩展性和长期有效性方面存在局限性，这凸显了寻找变革性解决方案的必要性。纳米技术、高级氧化工艺、光催化和混合生物-纳米系统的最新进展在提高降解效率、选择性和成本效益方面取得了显著成果。人工智能的集成为实时监测、污染物行为预测和优化处理方案提供了新的可能性。尽管如此，纳米材料的安全性、现场应用以及复杂的污染物相互作用等关键问题仍未得到解决。本综述全面总结了当前的修复策略，深入评估了它们的优势与局限性，并指出了未来研究的关键方向。通过强调环保创新、协同技术方法以及政策支持下的跨学科框架，本文为可持续、高效且安全地消除环境中的持久性有机污染物提供了路径。

引言

20世纪末，合成化学品的生产和消费量大幅增加[1]。许多这类物质被归类为持久性有机污染物（POPs），因为它们在环境中具有长期存在性，能够跨越生态系统，并在生物体内积累。其中最令人担忧的是有机氯农药（OCPs）、多氯联苯（PCBs）和多溴联苯醚（PBDEs），它们持续污染陆地和水生栖息地。例如DDT、艾氏剂和六氯苯等OCPs在农业中广泛用于防治害虫和真菌。这些物质通过农业径流和农药残留物的不当处理进入环境，造成严重的生态危害[2][3]（图1）。河口生态系统特别容易受到这些持久性污染物的影响，因为工业和农业废水破坏了这些沿海栖息地的微妙平衡[4][5][6]。

消除环境中的POPs非常具有挑战性，因为它们对生物、化学或光化学过程具有很强的抗性[7]。这些化合物的环境持久性源于其稳定的分子结构、显著的亲脂性和低水溶性，从而导致它们在脂肪组织中积累。“持久性有机污染物”（POPs）是指半挥发性的物质，能够在环境中广泛传播，最终沉积下来。不幸的是，食物中也可能含有这些污染物[9]。接触这些污染物会对健康造成重大风险，导致短期和长期影响，如糖尿病、肥胖、生殖障碍、神经系统损伤以及肝脏、肾脏和肺部等重要器官的损害[10]。许多这些症状可能是由接触这些污染物引起的。无论是天然还是人造化学物质，接触方式可能包括摄入、无意暴露或环境污染，都可能产生严重后果。基因毒性会破坏DNA完整性；生态毒性会损害生态系统；免疫毒性会削弱免疫系统；而慢性毒性则会导致长期的健康问题[11]。《斯德哥尔摩公约》致力于通过消除这些污染物来保护人类健康和环境。最初，联合国环境规划署确定了十二种潜在有害化合物，统称为“肮脏十二种”。到2019年，该名单已扩展到28种POPs，大大扩大了受监管化合物的范围[12]。联合国的可持续发展目标（SDGs）设想了一个没有贫困、地球得到保护、人人都能享受高生活水平的社会。为了实现这些目标，拥有一个强大而健康的环境是必不可少的条件[13]。

持久性有机污染物因其化学性质的抗性、在生物组织中的积累能力及其毒性作用，对生态系统和人类福祉构成重大威胁[14]。传统的清理方法，包括微生物处理、化学分解和吸附已被广泛研究，但其实际应用常常受到高昂成本、处理时间过长以及污染物去除不完全或无效的阻碍[15]。这些限制推动了向更先进修复技术的研究。芬顿反应和光芬顿反应、UV/臭氧处理以及基于半导体的光催化（例如TiO₂）等方法在将POPs降解为危害较小的副产物方面显示出巨大潜力。此外，纳米技术在修复中的应用，特别是在纳米催化、纳米过滤和纳米吸附方面，提高了效率、成本效益和实际可行性[16][17]。包括高级氧化工艺（AOPs）、酶法和电离辐射在内的互补方法正在作为创新的POPs管理策略进行研究[18]。最近利用人工智能（AI）的进展进一步增强了这些策略，实现了操作参数的优化、降解途径的预测以及整体过程效率的提升。

尽管取得了这些进展，但将传统方法与新兴技术（包括纳米技术、AOPs、AI和可持续性考虑）相结合的综合性研究仍然有限。虽然大多数先前的研究侧重于单一技术，但很少有研究采用跨学科框架来整合这些创新。本综述通过全面评估传统和尖端修复策略，突出了先进技术在有效去除环境中的POPs方面的潜在优势，同时符合可持续实践的要求。

持久性有机污染物概述：分类及其影响

持久性有机污染物（POPs）是合成化合物，对人类健康和生态系统构成威胁。它们能够在环境中长距离传播，长期存在，并在生物体内积累[19]。工业操作、化石燃料的燃烧以及农业中农药的使用都是持久性有机污染物的来源[20]。农药、工业化学品和意外副产品是主要的污染源

持久性有机污染物的先进降解技术

由于POPs能够在环境中长期存在而不被分解，因此对环境构成了重大威胁。即使有相应的限制和禁令，仍有可能发现这些潜在有害化合物的残留物[57]。鉴于它们对人类健康和生态系统的危害性，必须将其从周围环境中清除。根据其特性...

人工智能（AI）在POPs处理中的现代应用

人工智能（AI）有潜力用于解决环境问题[75]。AI正迅速成为多个科学和工业领域的革命性工具。AI的应用直接解决了POPs清理中长期存在的诸多限制[76]。通过使用机器学习模型，可以预测降解途径...

新兴修复方法的优点与挑战

修复方法可能存在内在的权衡，影响其在特定环境条件下的适用性[10]。化学AOPs如UV/H₂O₂、臭氧和硫酸根自由基系统具有最佳的降解动力学和氧化强度。然而，它们的强烈反应路径可能会产生短暂但潜在危险的中间体，因此需要在下游进行适当处理或严格控制。生物修复策略，如微生物联合体、酶法...

修复技术及其在实验室与现场的应用差异：关键比较

许多清理系统在受控实验中表现良好，但在实际操作、环境和经济效率方面仍存在复杂性[1]。化学AOPs能够快速降解和破坏多种污染物，但依赖于能量的激活过程、水介质的复杂性以及二次反应中间体限制了其应用。尽管生物疗法具有可持续性和低能耗，但在寒冷地区、pH值变化或营养水平不同的情况下，其效果可能会减弱...

POPs的降解途径及其转化产物的环境影响

在修复过程中，持久性有机污染物会经历多种转化，包括氧化、还原和生物介导的转化（表6）。深入了解这些转化途径对于评估处理效果和环境安全性至关重要[107][108]。例如，PCBs的氧化分解通常通过羟基化和开环途径进行，产生氯化...

结论

解决持久性有机污染物问题仍然是一个重大的环境和健康挑战，需要创新和可持续的解决方案。虽然传统的物理、化学和生物方法提供了一定的解决方案，但它们的局限性表明需要更先进的方法。纳米技术、光催化和高级氧化工艺等创新技术提供了更高的效率、选择性和环保性。

作者贡献声明

Aeyaz Ahmad Bhat：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。 Meraj Ahmed：研究、数据管理。 Noureddine Elboughdiri：撰写——审稿与编辑、监督。 Jaskaran Singh：资源获取、方法论设计。 Karim Kriaa：可视化处理、数据管理。 Chemseddine Maatki：方法论设计。 Bilel Hadrich：初稿撰写。 Atif Khurshid Wani：撰写——审稿与编辑。

资助声明

本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研部的支持和资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2602）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研部的支持和资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2602）。