稻草残余物分解对全氟烷基物质在排水系统和积水稻田中扩散的影响

《Environmental Pollution》：Impact of Rice Residue Decomposition on the Diffusion of Perfluoroalkyl Substances in Drainage and Waterlogged Paddy Fields

水稻田排水与淹水条件下稻秆分解调控PFAS迁移机制研究。该研究通过分析孔隙水（PW）、表层水（OW）等介质中PFAS的分布特征及分子调控因子，发现排水条件下OW成为PFAS扩散主通道（β=0.97），淹水条件下PW（β=0.74）是关键汇。稻秆分解导致PFCA（全氟羧酸）在PW和OW中分别减少5.33%和6.67%，而PFSA（全氟磺酸）在PW中增加18.43%，在OW中减少12.49%。分子机制研究表明cacodylic acid（36.3%–38.2%）和deoxycorticosterone 21-glucoside（56.2%–59.3%）是调控PFAS分布的关键物质。

　　

吴建义|李凌轩|毕武霞|黄新林|陈淼|涂文清

农业农村部鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西农业大学土地资源与环境学院，南昌330045，中国

摘要

全氟烷基物质（PFASs）在稻田土壤中的土壤-水界面的迁移性直接影响其对作物的可利用性。然而，水稻残余物分解在不同水文条件下如何影响PFASs的扩散机制仍不清楚。为了解决这一问题，本研究调查了水稻残余物分解过程中PFASs在表层水（OW）、孔隙水（PW）、土壤溶液、土壤微生物吸附部分以及其他土壤组分中的扩散情况。结果表明，在排水和积水土壤中，PW（β = 0.74）和OW（β = 0.97）分别是PFASs扩散的关键汇。质量分布分析显示，残余物的输入使PW中的全氟羧酸含量减少了5.33%，在OW中减少了6.67%。相比之下，全氟磺酸在PW中的含量增加了18.43%，但在OW中减少了12.49%。在分子水平上，聚集增强树模型识别出枯草酸（36.3%–38.2%）和脱氧皮质酮21-葡萄糖苷（56.2%–59.3%）分别是排水和积水土壤中PFASs分布的关键调节因子。这些发现为了解水稻残余物分解过程中PFASs的迁移提供了宝贵的见解，并强调了在排水和积水水文条件下控制PFASs的必要性。

引言

全氟烷基物质（PFASs）作为一种新兴的持久性有机污染物，由于在农业土壤中的广泛存在而受到广泛关注（Fabregat-Palau等，2025年）。PFASs在稻田土壤中尤为普遍，对生态系统和人类健康构成重大风险（Li等，2025b年）。稻田土壤中PFASs的主要来源包括灌溉水、生物固体改良剂和大气沉降物，这些因素导致其在土壤中的长期积累（Santiago Borrés等，2024年）。稻田土壤具有独特的土壤-水循环特征，即湿干周期交替。这种波动创造了动态的土壤-水界面，显著影响PFASs的跨介质迁移（Wu等，2024年），从而改变了其环境归趋和传输动态，与其他土壤类型相比有所不同。这种迁移动态可以将PFASs转移到更易移动的土壤组分中，增加其对水稻作物的潜在生物可利用性（Mei等，2021年）。这种迁移性在稻田的表层水（OW）和孔隙水（PW）组分中尤为明显。在这些组分中，PFASs可以轻易溶解并迁移到植物组织中，对食品安全和人类健康构成威胁（Wu等，2025b年）。因此，研究这些过程对于制定有效的策略以减轻农业系统中的PFASs污染和保障全球粮食安全至关重要。

在水稻生长过程中，植物残余物逐渐在稻田土壤表面积累并经历微生物分解（Ehlinger等，2026年）。微生物附着在残余物上，形成生物膜并分解有机物，从而将必需的营养物质释放到环境中（Hua等，2022年）。随着水稻残余物的分解，在排水过程中以及积水条件下，大量溶解有机物（DOM）、氮和磷被释放到周围土壤和OW中（Zhang等，2026b年）。DOM在土壤养分动态中起着关键作用，作为一种螯合剂，可提高养分可利用性、微生物代谢和PFASs的迁移（Li等，2025年；Wu等，2023年）。这种养分流入驱动了土壤微生物群落的演替，并改变了它们的代谢动态。微生物种群的变化会改变酶活性和有机物处理速率（Nie等，2025年）。养分引起的微生物群落变化会影响PFASs在土壤-水界面的迁移（Wu等，2025年），可能影响其在水稻作物中的迁移性、环境归趋和生物可利用性。这些微生物动态可能促进或抑制PFASs的扩散，突显了养分释放与污染物行为之间的复杂相互作用。因此，需要系统研究来评估残余物驱动的养分释放对稻田中PFASs迁移的影响。

水稻残余物分解过程中养分的释放创造了复杂的化学环境，直接影响PFASs的迁移性。例如，DOM通过疏水作用和静电力作为分子桥梁结合PFASs（Li等，2022年；Qi等，2022年）。这种相互作用减少了PFASs在土壤颗粒上的吸附，并增加了其在OW和PW中的溶解度。然而，水稻残余物的分解过程在不同水文条件下表现出不同的动态。在排水条件下，由于残余物生物膜中的好氧微生物活动增强和分解速率加快，DOM的持久性通常降低（Jiang等，2025年）。这种减少可能限制了土壤PW中DOM-PFAS复合物的形成，从而降低了PFASs对作物的可利用性。在积水条件下，厌氧环境促进了DOM的持久性（Tao等，2025年），并增强了DOM与PFASs的相互作用，从而提高了PFASs的迁移性。因此，DOM螯合和微生物代谢在水稻残余物分解过程中的协同效应可能会改变PFASs在土壤-水界面上的扩散及其在排水和积水条件下的作物可利用性。这些变化对粮食安全构成潜在风险，突显了研究上的关键空白。

为了解决这一问题，本研究调查了水稻残余物在微生物分解过程中形成的生物膜及其在排水和积水稻田条件下的PFASs暴露反应。评估了水稻残余物分解对这些水文条件下土壤-水界面PFASs扩散的影响。阐明了残余物引起的土壤微生物群落变化如何调节排水和积水条件下土壤-水界面的PFASs迁移性。此外，还分析了水稻残余物分解过程中驱动生物膜形成的代谢过程及其对土壤-水介质中PFASs扩散的影响。这些结果为了解PFASs的迁移性提供了实际见解，并为稻田管理中的污染控制策略提供了依据。

章节片段

化学物质和试剂

本研究评估了农业土壤中常见的14种PFASs（Mei等，2021年；Wu等，2022年）。因此，使用了14种纯度大于98%的PFASs标准品，包括全氟丁酸、全氟戊酸、全氟己酸、全氟庚酸、全氟辛酸、全氟壬酸、全氟十一酸、全氟十二酸、全氟十二烷酸、全氟丁烷磺酸、全氟己烷磺酸、全氟辛烷

排水和积水条件下稻田土壤中水稻残余物生物膜的聚集和形成

排水稻田土壤中的残余物质量显著高于积水土壤（第7天时分别为2.35 ± 0.06克 vs 1.82 ± 0.33克，第56天时分别为1.08 ± 0.16克 vs 0.63 ± 0.09克；方差分析[ANOVA]，p < 0.01）（图1a）。FTIR分析显示，表面官能团——OH（来自羧酸及其衍生物）和CH₃/CH₂/CH（烷烃）——随残余物分解期和水文条件而变化（图1b）。XPS分析进一步表明C-OR占主导地位

结论

本研究调查了水稻残余物分解对排水和积水条件下稻田土壤中PFASs扩散的影响。结果表明，在排水和积水土壤中，PW和OW分别是PFASs扩散的关键汇。在残余物分解过程中，PW中的PFCA含量减少了5.33%，在OW中减少了6.67%。相比之下，PW中的PFSA含量增加了18.43%，但在OW中减少了12.49%。这些变化主要由

CRediT作者贡献声明

毕武霞：研究。黄新林：研究。陈淼：软件、资金获取。吴建义：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。李凌轩：方法学。涂文清：监督，项目管理，资金获取

未引用的参考文献

Bezabhe等，2025年；De'ath，2007年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号42467057和42267039）、江西省自然科学基金（项目编号20252BAC200274和20252BAC240303）以及江西省科技厅的研究项目（项目编号20244BCE52035）的财政支持。