综述：全氟和多氟烷基物质对生物氮去除过程的影响：性能、微生物反应及抑制机制

《Journal of Water Process Engineering》：Impacts of per- and polyfluoroalkyl substances on biological nitrogen removal processes: Performance, microbial responses and inhibition mechanisms

PFAS在污水处理系统中积累并抑制生物脱氮过程，其作用机制包括破坏细胞膜、诱导氧化应激和干扰关键酶活性，未来需加强真实场景研究及多组学整合。

　　

孙彦青|刘洋|庞健|李志雷|王凯|李洪生

山东建筑大学市政与环境工程学院，济南，250101，中国

摘要

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类持久性的合成化学物质，在污水处理厂（WWTPs）中广泛存在。这些物质在处理过程中无法完全去除，可能会在生物处理系统中积累。作为主要的汇和再分配节点，污水处理厂成为PFAS污染向下游水环境传播的关键接口。本文综述了PFAS在污水处理厂中的存在情况，并对其对硝化、反硝化和厌氧氨氧化（anammox）过程的影响进行了深入评估，同时探讨了PFAS导致这些过程功能不稳定背后的机制。现有证据表明，PFAS对氮去除的影响取决于浓度和结构特性，受碳链长度、官能团、暴露强度和暴露时间的影响。自养途径（尤其是厌氧氨氧化过程）通常比异养反硝化过程更敏感。从机制上看，PFAS可以破坏细胞膜完整性，改变细胞外聚合物组成，干扰底物运输和电子传递，并引发氧化应激，从而降低处理效率。分子分析进一步表明，长链PFAS对关键氮转化酶的亲和力更强，可能影响一氧化氮和二氧化氮的生成。除了机制上的了解外，本文还整合了过程层面的敏感性模式，并指出了与暴露现实性、混合污染物相互作用以及系统长期韧性相关的主要不确定性。未来的研究应重点关注具有环境意义的暴露情景、未充分研究的处理介质，以及多组学方法与工程性能指标的结合。这一综述为在PFAS压力下开发更具韧性的氮去除系统提供了理论支持。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一大类人工合成的有机化合物，其特征是至少含有一个完全氟化的碳原子。自20世纪40年代首次工业应用以来，由于其卓越的热稳定性、化学抗性以及疏水性和疏油性的结合，PFAS被广泛应用于各种工业和消费品中[1]、[2]、[3]。迄今为止，全球已鉴定出4700多种PFAS，随着分析技术的进步和工业创新，这一数字仍在增加[4]。然而，赋予PFAS理想物理化学性质的强碳-氟（C-F）键也使其在自然条件下具有极强的环境持久性，使其难以被生物和化学方法降解。因此，PFAS常被称为“永久性化学物质”[5]。PFAS的长期大规模生产和使用导致其在环境中普遍存在，引发了人们对其环境归趋和潜在风险的日益关注。多项研究在多种环境介质中检测到了PFAS的存在，包括地表水、地下水、土壤和大气气溶胶[6]、[7]。特别值得关注的是，PFAS具有显著的生物累积和生物放大潜力，并已在人体组织和体液中检测到，如血液、母乳、肝脏和胎盘[8]、[9]。流行病学和毒理学证据表明，长期暴露于PFAS与多种不良健康后果有关，包括免疫毒性、内分泌紊乱、生殖毒性、代谢紊乱以及肝肾损伤。值得注意的是，国际癌症研究机构已将几种PFAS列为可能的或疑似致癌物[7]、[10]。因此，PFAS污染已成为一个亟需科学和监管关注的关键全球环境问题。

污水处理厂（WWTPs）被认为是PFAS进入水环境的主要“汇聚点和再分配中心”[9]。一方面，工业废水、市政废水、含氟灭火泡沫的残留物以及含有PFAS的消费产品的洗涤是PFAS进入污水处理厂的主要来源。另一方面，传统的废水处理工艺对PFAS的去除能力有限，因为大多数PFAS具有很高的生物和化学抗性，只能通过吸附或相转移部分去除，而无法被矿化[3]、[6]。现有研究表明，由于短链PFAS的水溶性较高，它们更倾向于随处理后的废水排放到接收水体中，而长链PFAS则倾向于在污泥中积累，并可能在污泥处理和处置过程中转移到土壤或其他环境介质中[3]。生物处理单元是污水处理厂中负责氮和磷去除以及维持出水质量的核心过程，其稳定运行高度依赖于微生物群落的结构和活性。越来越多的证据表明，PFAS在生物处理系统中的持续积累会对功能性微生物造成不可忽视的生态压力。据报道，全氟辛酸（PFOA）、全氟辛烷磺酸盐（PFOS）及其替代品等代表性化合物会抑制硝化、反硝化和厌氧氨氧化过程，导致氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化菌（DNB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）的活性降低，以及参与氮转化途径的关键功能基因和酶的表达下调[11]、[12]、[13]。此外，PFAS还可能通过多种机制进一步加剧生物氮去除的抑制作用，包括破坏细胞膜完整性、诱导活性氧（ROS）积累、改变细胞外聚合物（EPS）组成以及与功能酶的直接相互作用[14]。

尽管近年来关于PFAS环境行为和处理技术的研究迅速增加，但系统地关注PFAS对生物氮去除过程影响及其背后的微生物机制的综合性综述仍然相对较少。特别是，不同分子结构、碳链长度和暴露浓度的PFAS对硝化、反硝化和厌氧氨氧化过程的不同影响尚未完全阐明，对其内在抑制机制的统一理解仍然缺乏。因此，迫切需要对现有研究进行系统的综合和分析。

基于此，本文系统总结了PFAS在废水处理系统中的来源、分布模式、存在情况和归趋，特别强调了其在污水处理厂中的积累和转化。进一步比较和评估了不同PFAS对生物氮去除过程及关键功能微生物群的影响。在此基础上，从多个角度全面讨论了PFAS对生物氮去除的潜在抑制机制，包括细胞膜损伤和通透性改变、ROS诱导的氧化应激以及PFAS与功能酶之间的直接相互作用。此外，还通过分子对接模拟定量阐明了代表性PFAS与参与氮转化途径的关键酶之间的结合特性。本文旨在为理解PFAS对生物氮去除系统的生态风险提供系统框架，并为未来的PFAS风险管理及废水处理工艺优化提供科学支持。

部分摘录

PFAS在废水处理系统中的分布和归趋

PFAS广泛应用于现代工业和消费品链中，其生产和应用涉及纺织、皮革加工、金属镀层、食品包装、灭火泡沫、化妆品、电子制造和塑料添加剂等多个领域[3]、[15]。由于其卓越的化学稳定性和抗降解性，PFAS会通过日常人类活动持续释放到市政废水系统中。

PFAS对生物氮去除过程的影响

污水处理厂中的生物氮去除主要通过微生物介导的过程实现，包括硝化、反硝化和厌氧氨氧化。这些过程分别由氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化菌（DNB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）驱动，它们都对外部环境压力非常敏感[26]、[27]。作为一类具有明显表面活性和环境持久性的有机污染物，PFAS在废水中普遍存在

细胞膜损伤和通透性改变

微生物细胞膜是维持细胞内稳态、能量代谢和质量传输的关键结构成分。其完整性和通透性直接决定了底物摄取、电子转移效率以及多种代谢反应的正常进行[38]、[39]。由于含有疏水性的全氟碳链和亲水性的极性官能团，PFAS具有明显的两亲性特征。

研究需求和未来展望

尽管关于PFAS对生物氮去除影响的研究迅速扩展，但目前的大部分理解仍基于短期毒性实验和单反应器评估，这些方法不足以支持复杂废水处理系统中的系统风险评估和工程决策。首先，应更加重视具有环境现实性的暴露情景。许多现有研究依赖于毫克/升（mg/L）级别的PFAS浓度来进行研究

结论

本文系统总结了PFAS在废水处理系统中的来源、类型和环境中的存在情况，并比较评估了不同PFAS对生物氮去除过程（包括硝化、反硝化和厌氧氨氧化）以及关键功能微生物群的影响。进一步从细胞层面综合了PFAS对生物氮去除的主要抑制机制

CRediT作者贡献声明

孙彦青：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、方法学、数据管理、概念化。刘洋：方法学、概念化。庞健：方法学、概念化。李志雷：验证。王凯：撰写 – 审稿与编辑、方法学、调查、概念化。李洪生：可视化、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。