深挖填埋场沉积物中的微生物全氟和多氟烷基物质（PFAS）降解：探寻污染治理新路径

《TRENDS IN Microbiology》：Digging deep: microbial PFAS-degradation in landfill sediments

为解决 PFAS 污染问题，研究人员探究填埋场沉积物中微生物对 PFAS 的降解，发现其有潜力，为生物修复提供方向。来自美国马里兰大学东海岸分校（University of Maryland Eastern Shore）的研究人员 E.W. Omagamre 和 G.F. Custer 开展了深入研究，相关成果发表在《TRENDS IN Microbiology》上。

　　

填埋场沉积物中微生物 PFAS 降解研究解读

在现代生活中，化工产品无处不在，其中全氟和多氟烷基物质（Per- and polyfluoroalkyl substances，PFAS）凭借独特的化学性质，广泛应用于塑料、电子、气溶胶和涂料等众多工业领域。PFAS 具有特殊的两亲性，由含Cn?F2n??或Cn?F2n+1??的疏水尾部和各类亲水头基（如羧酸盐、磺酸盐或醚）组成，这使得它拥有高疏水性、抗降解性以及在宽温度范围内的可操作性。

然而，PFAS 在环境中的高度持久性和在消费品中的广泛存在，导致人类不可避免地接触到它。加拿大的相关报告显示，约 99% 的人群血液样本中都检测到了 PFAS。流行病学研究更是揭示了 PFAS 暴露与免疫功能障碍、甲状腺紊乱、肾脏损伤甚至癌症等多种不良健康后果之间存在关联。与此同时，治理环境中 PFAS 污染的物理和化学方法有限，这就迫切需要探索新的途径来解决 PFAS 污染难题。在此背景下，研究人员将目光投向了填埋场沉积物，期望从中找到能够降解 PFAS 的微生物群落，开启生物修复 PFAS 污染的新征程。

来自美国马里兰大学东海岸分校（University of Maryland Eastern Shore）的研究人员 E.W. Omagamre 和 G.F. Custer 开展了深入研究，相关成果发表在《TRENDS IN Microbiology》上。

在研究过程中，研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是构建实验微宇宙（microcosm），模拟填埋场环境，观察微生物在其中对 PFAS 的降解情况；二是从填埋场及渗滤液等受污染环境中分离能够降解 PFAS 及其副产物的微生物群落，分析其降解能力和特性。

研究围绕 PFAS 降解的多个方面展开，具体如下：

1. PFAS 微生物分解面临的挑战：PFAS 生物降解在化学和细胞层面存在诸多障碍。一方面，释放的氟离子具有细胞毒性，它不同于其他单价阴离子，能够与关键酶络合，抑制中心代谢，比如干扰糖酵解中的烯醇化酶，阻碍正常的生物活动。虽然原核生物进化出了氯化物或氟化物通道等氟离子输出系统，但 PFAS 细胞内分解时产生的高浓度氟离子，可能超出了生物进化过程中所接触的水平，仍需进一步适应。另一方面，PFAS 的初始脱氟难易程度受氟电子云影响，不饱和分子比饱和分子更易发生生物转化和脱氟。而且，亲水头基的化学性质对 PFAS 的抗降解性影响显著，以磺酸根基团为例，其较大的体积会在 α（C₂）和 β（C₃）碳原子位置形成空间位阻，限制亲核试剂和降解酶的接近，降低被化学或生物攻击的可能性，使得磺酸基 PFAS 在环境中比羧基 PFAS 更持久，不过它也并非完全不能被生物降解。

2. 填埋场作为微生物新功能的来源：填埋场沉积物为微生物提供了独特的环境，有助于推动微生物对 PFAS 的代谢。填埋场沉积物在垂直方向上存在资源可用性和氧化还原条件的动态变化，从接近地表的有氧环境逐渐过渡到深层有利于微生物 PFAS 降解的厌氧环境。随着沉积物的老化和分解，难降解的外源化合物不断富集，PFAS 的分布也呈现出不同模式。在填埋场的深层，微生物已经接触 PFAS 及其前体和副产物长达 70 多年，相当于进行了长达数十年的 “培养 - 富集” 实验。研究发现，通过多代培养，暴露于氟调聚物（一类 PFAS）的污泥微宇宙能够富集出稳定的、可持续降解 PFAS 的微生物群落。从填埋场和渗滤液等污染环境中也成功分离出了能够降解 PFAS 及其副产物的微生物群落。实验表明，含有活性微生物群落的实验微宇宙中 PFAS 的分解速率明显高于无菌微宇宙，特定微生物类群（如氨氧化和亚硝酸盐氧化细菌）的去除会对 PFAS 降解速率产生负面影响，这说明微生物群落对 PFAS 降解至关重要，而且不同微生物类群的作用存在差异，这种差异可能会随着时间推移而放大。此外，由于 PFAS 化学结构多样，降解过程复杂，单一微生物菌株很难完全代谢 PFAS，PFAS 降解更像是微生物群落层面的涌现特性，依赖微生物间的交叉喂养和共代谢，形成复杂的营养网络。持续暴露于高浓度多氟化合物有望加速 PFAS 脱氟相关基因和途径的适应性进化，产生能够降解 PFAS 的微生物群落。

研究结论表明，尽管微生物降解 PFAS 面临化学和细胞层面的挑战，但在受人为影响的环境（如填埋场沉积物）中，已经发现了相关的降解途径。填埋场沉积物可以看作是世界上持续时间最长的 “培养 - 富集” 实验场所，长期的 PFAS 暴露产生了独特的选择压力，有可能推动微生物适应性进化，促进含氟化合物新降解途径的产生。聚焦填埋场微生物群落，有助于揭示卤化酶和转运蛋白编码基因的酶活性提升或点突变情况，为提高脱氟效率和氟离子外排能力提供可能，进而为工程化改造微生物群落、增强 PFAS 生物修复效果提供候选方案。

这项研究意义重大，它为解决 PFAS 污染问题提供了新的方向和理论依据。以往对 PFAS 降解微生物和酶的研究多依赖短期实验室优化条件下的实验，与实际环境存在差异。而此次对填埋场微生物群落的研究，为深入了解 PFAS 在自然环境中的降解机制提供了更真实、更具时空特异性的模型系统。未来，有望基于此研究成果，进一步开发高效的生物修复技术，减少 PFAS 对人类健康和环境的危害。同时，研究也呼吁生态学家、微生物学家和生物勘探人员加强合作，共同应对 PFAS 带来的环境挑战，为保护生态环境和人类健康贡献力量。