全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类高度持久的有机污染物，由于碳-氟键的稳定性强，它们具有极强的化学稳定性，并且已知具有生物累积性和毒性，导致其在环境中长期存在[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]。全氟辛酸（PFOA）是一种典型的长链PFAS化合物，在工业区周围的土壤中常常检测到高残留量[10], [11], [12], [13]。例如，在氟聚合物制造设施附近，土壤中的PFOA浓度可高达2.24 mg/kg，远超过典型的环境背景水平（约0.0027 mg/kg）[2], [14], [15]。这种严重的PFOA污染不仅会破坏土壤生态系统功能，还可能通过食物链累积，对人类健康构成潜在风险[16], [17]。传统的物理化学方法（如电化学和热催化处理）虽然能够高效去除PFOA，但往往会对土壤结构、微生物群落和整体肥力造成严重损害[18], [19], [20], [21], [22], [23]。这些激进的方法有可能将健康的土壤变成“无生命”的介质，需要很长时间才能恢复生态平衡。相比之下，植物修复利用植物自身的吸收、转移和降解能力，通常通过常规种植、持续栽培或轮作等管理措施实施，是一种可持续的替代方案，具有成本低、环境干扰小、适用于原位修复等优点，特别适合大规模污染场地的修复[7], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35]。最近的研究发现了几种具有PFAS植物修复潜力的植物种类，包括黑麦草、Cannabis sativa和O. rosea [36], [37], [38], [39]。这些植物不仅对PFAS引起的植物毒性具有抗性，还具有很强的吸收和累积能力，显示出对多种PFAS结构的优异修复潜力。
然而，当应用于PFOA污染土壤时，植物修复也存在显著局限性。与短链PFAS相比，PFOA较大的分子尺寸和更强的疏水性极大地阻碍了其在土壤溶液中的迁移和在根表面的吸附，从而降低了跨膜吸收效率。研究表明，长链PFAS容易在土壤有机物和根际环境中强烈吸附，导致进入根细胞的量大大减少[40], [41], [42]。此外，被吸收的PFOA进入木质部的过程及其向地上部分的转移效率非常低，导致大部分PFOA滞留在根组织中[25]。这些吸收和转移的双重限制使得单独依靠植物修复无法有效去除PFOA。
铁（Fe）是土壤中普遍存在的元素，具有氧化还原活性，对植物生长至关重要[43], [44]。铁还参与调节各种离子的吸收和转移[45], [46], [47]。最近的研究表明，铁的可用性显著影响植物对离子型PFAS的吸收和转移[48]。在缺铁条件下，蒸腾速率降低和可溶性蛋白含量减少会限制PFAS向茎部的转移。相反，铁的过量供应可以将PFAS的转移效率提高10到28倍。这种增强效应归因于铁引发的活性氧（ROS）积累，活性氧会诱导脂质过氧化并增加根细胞膜的通透性。同时，茎部可溶性蛋白水平的提高进一步促进了PFAS的内部转移。然而，过量的铁会引发严重的持续性氧化应激，抑制植物生长，从而限制了其在植物修复中的实际应用[49]。鉴于铁的这种双重调节作用，寻找一种具有高调节能力和低植物毒性的铁源对于显著提高植物修复PFOA污染土壤的效率具有重要意义。
纳米零价铁（nZVI）是一种商业上可获得且广泛用于环境修复的材料，其特点是能够在土壤中缓慢释放铁。这种可控的释放机制有助于维持铁浓度在适中和有效的范围内，从而避免铁缺乏和过量带来的问题。除了上述优势外，nZVI还可以通过其纳米级效应产生适量的ROS，这种短暂且可控的刺激可以暂时提高根细胞膜的通透性，促进PFAS的跨膜吸收和根系积累[48], [50]。这与直接施用高浓度铁离子形成鲜明对比，后者往往会引发强烈的持续性氧化应激，导致持续的植物毒性。随着nZVI逐渐腐蚀并转化为Fe2+，其相关的氧化应激也会相应减弱，有效避免了植物生长的毒性[51]。此外，nZVI的应用还能改善缺铁条件下PFAS的转移能力，并可能通过刺激植物代谢过程来增强茎部可溶性蛋白含量，从而提高PFAS从根到茎的转移[52], [53]。需要注意的是，高剂量或长期施用nZVI可能会带来潜在的生态毒性风险，包括抑制土壤生物和微生物活动，以及由于聚集/迁移行为和污染物载体效应导致的二次污染[54], [55], [56]。本研究旨在采用短期（≤8周）、低剂量（≤100 mg/kg）的nZVI应用策略来提高PFAS的植物提取效率。越来越多的证据表明，在这种剂量下，nZVI对土壤生态系统的负面影响有限，环境风险可控[55]。此外，nZVI的活性会迅速下降，环境条件也会逐渐恢复，不会产生持续的不良影响[54], [55]。低剂量的nZVI还可以在局部产生轻微的还原条件，有利于特定功能微生物群落的富集，并增强微生物生物量和酶活性[55], [57]。因此，nZVI在增强PFAS污染土壤的植物修复方面显示出巨大潜力。
为了解决PFOA污染土壤的修复挑战并克服植物修复的固有局限性，本研究旨在探索nZVI作为外源铁源在植物中增强根际跨膜吸收和PFOA内部转移的潜力。选择多年生黑麦草（Lolium perenne L.）作为模型植物，是因为它具有发达的根系、高蒸腾速率和强的环境适应性以及高生物量产生能力，这些都有助于有效吸收和转移土壤孔隙水中的PFAS[58]。在黑麦草中发现的nZVI增强PFAS吸收和转移的机制预计也适用于其他植物种类。这是因为控制植物中PFAS行为的关键生理过程（如根细胞膜通透性调节、转运蛋白活性和由蒸腾驱动的木质部装载）在高等植物中是保守的。尽管不同物种之间的增强程度可能因根系结构、蒸腾速率和蛋白质表达谱的不同而有所差异，但在黑麦草中建立的机制框架为理解和优化不同植物系统中的nZVI辅助植物修复提供了概念基础。本研究的具体目标是：（1）系统评估nZVI对黑麦草中PFOA吸收和转移的影响；（2）如果确认nZVI具有促进作用，深入探讨其增强机制；（3）评估nZVI在含有复杂PFAS混合物的工业污染土壤中的有效性，并研究其广泛去除共存PFAS的潜力；（4）基于阐明的机制探索和优化种植模式，以提高修复效率。本研究旨在为开发经济高效且环境友好的PFAS污染土壤修复策略提供新的见解和技术支持。
