综述：植物对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的吸收与生物富集机制

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Mechanisms of PFAS uptake and bioaccumulation in plants

本文系统阐述了PFAS在农业环境中的污染现状、土壤-孔隙水分区与吸附机制、植物根叶吸收与转运通路（如阴离子通道、水通道蛋白），以及在不同植物物种（特别是野生超富集植物）中的生物积累与健康风险。文章创新性地讨论了农药作为PFAS污染源、根际微生物降解潜力，并提出了结合植物修复（如利用柳树、灯心草属植物）、微生物群落强化和收获后生物质热解（生产生物炭）的可持续综合治理策略，为未来PFAS污染场地修复研究指明了方向。

　　

全氟和多氟烷基物质：从农田污染到绿色修复的挑战与机遇

引言：无处不在的“永久化学品”

工业化与采矿等人为活动，导致全氟和多氟烷基物质（PFAS）在农业生态系统中广泛存在。这类物质因其碳-氟（C-F）键异常稳固而难以自然降解，成为环境中顽固的“永久化学品”。土壤是其主要的汇集地，进而通过受污染的作物和水体威胁人类健康。传统修复方法因PFAS与矿物质、土壤胶体强吸附及其两亲性而成本高昂、效率有限。因此，深入理解PFAS在环境中的归趋，尤其是植物对其的吸收与积累机制，并开发可持续的修复策略，显得至关重要。

PFAS的环境归趋：土壤与孔隙水中的吸附博弈

PFAS在环境中的命运主要受其化学性质以及与土壤、水介质相互作用的调控。它们通常具有亲水头基（如-COOH或-SO₃H）和疏水尾链（CF₂链）。长链PFAS（例如碳链≥ C7）倾向于强烈吸附在固体颗粒上，而短链PFAS（≤ C6）则移动性强，易于污染水体。在孔隙水中，PFAS分子通过静电相互作用、疏水吸引和氢键吸附到矿物表面和土壤有机质（SOM）上。在高浓度下，PFAS甚至能在固体表面形成胶束、半胶束和双层等超分子组装体，从而通过创建与SOM和矿物表面（如铝、镁离子）具有高亲和力的多层结构来促进吸附。

根际的隐形盟友：微生物的吸附作用

根际中丰富的细菌群落（每立方厘米土壤10⁴至10⁸个细胞）是影响PFAS迁移转化的关键生物因子。细菌通过其细胞膜疏水成分和主要由多糖、蛋白质和脂质构成的胞外聚合物（EPS）与PFAS发生静电和疏水相互作用，从而吸附PFAS。无论是革兰氏阳性菌（如枯草芽孢杆菌）还是革兰氏阴性菌（如铜绿假单胞菌），都对全氟辛烷磺酸（PFOS）表现出较强的吸附能力。这种微生物吸附会影响PFAS在环境中的滞留和迁移，细菌生物量的增加还能提升土壤总碳含量，进一步强化吸附过程。

植物的吸收与转运：一场精密的跨膜运输

植物主要通过根系吸收PFAS，其过程涉及不同的生理机制，包括质外体和共质体途径以及跨膜运输。主动和被动运输、阴离子通道和水通道蛋白共同介导了PFAS在植物体内的运输。例如，在玉米中，全氟辛酸（PFOA）的吸收部分是主动的（43–83%），而PFOS的吸收则不显著，表明其可能通过部分被动过程运输。相比之下，小麦对PFOA和PFOS的吸收则主要是主动的。PFAS在植物体内的分布具有物种特异性，并受链长影响：短链PFAS更易在叶菜类和果实中积累，而长链PFAS则倾向于滞留在根部。叶片也可能通过气态和细颗粒物（PM_2.5）形式吸收中性和电离态的PFAS。

新兴污染源：农药中的PFAS

近年来的研究揭示，农药产品是农业生态系统中PFAS污染的潜在重要来源。PFAS被用作农药配方中的助剂、表面活性剂、分散剂和消泡剂。大约14%的美国常规农药含有PFAS，其使用量在过去十年中增加了30%以上。来自农药应用的PFAS残留物容易被植物吸收或污染农田土壤，并且可能比农药活性成分更持久。这为理解和管理农业面源PFAS污染提供了新的视角。

植物修复：利用自然之力净化环境

利用植物作为生物积累器从污染场地吸收PFAS，被称为植物修复。这是一种经济可行且环境友好的方法。研究表明，不同植物物种的修复潜力差异很大。木本植物如白柳、黑杨和银桦，以及草本植物如向日葵和长滩蕨，都显示出较高的PFAS吸收能力。其中，白柳对PFAS的吸收量最大，其次是黑杨和欧洲桤木。水生大型植物，特别是灯心草属植物和某些莎草科植物，也因其与污染水体的直接接触而展现出高效的修复潜力。值得注意的是，野生植物通常对环境胁迫更具抵抗力，是避免食用作物污染的可持续修复选择。

可持续闭环：从生物积累到安全处置

单纯的植物积累并不能降解PFAS，收获后的植物生物质若处理不当可能造成二次污染。因此，将植物修复与收获后生物质的安全处置相结合至关重要。一个具有前景的策略是，将富含PFAS的植物生物质进行热解。该过程不仅能有效破坏PFAS，还能产生具有土壤改良和碳封存潜力的生物炭，从而实现污染治理与资源化的双重目标。

酶促降解：破解C-F键的生物学尝试

尽管植物难以直接生物降解PFAS，但一些植物酶系为降解提供了可能。例如，过氧化物酶（如辣根过氧化物酶HRP）和漆酶可以通过酶促氧化腐殖化反应（ECOR）引发PFAS（如PFOA）的脱羧，并将其降解为短链氟化烷基酸。虽然相关研究有限，但探索更多具有降解酶潜力的植物物种，并结合微生物群落，是未来增强PFAS生物降解的重要方向。

结论与展望

PFAS在环境中的迁移、植物吸收和生物积累是一个涉及物理、化学和生物过程的复杂系统。未来研究应致力于在真实污染场地的条件下，全面评估多种生物和非生物因子（如植物物种、生长阶段、PFAS化学结构、土壤性质）对PFAS归趋的综合影响。整合可持续的“一体化”修复实践，例如筛选PFAS超富集植物物种、联合应用PFAS降解微生物群落，并对收获的生物质进行热解生产生物炭，将是应对PFAS污染挑战、保障农业生态安全和公众健康的关键研究方向。