美国南达科他州矿业与技术大学（SD Mines）Venkataramana Gadhamshetty 团队在Soil & Environmental Health（SEH-《土壤与环境健康》）期刊发表题为“PFAS污染水体和土壤的生物修复技术研究进展（Advances in bioremediation strategies for PFAS-contaminated water and soil; 2025, 3(1): 100126.）”的综述论文。全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类新兴污染物，由于其持久性、化学转化能力和生物累积性，对水体和土壤环境构成严重威胁。全球已鉴定出超过15,000种PFAS化合物，其在人体内的半衰期可达72小时至8.5年，毒性危害令人担忧。近年来，生物修复作为一种环保且经济有效的PFAS降解方法受到广泛的关注。然而，微生物与PFAS的相互作用及其将PFAS转化为无毒产物的机制尚不明确，这对增强微生物环境适应能力、强化天然酶途径并实现商业化应用构成了重大挑战。文章综述了近年来PFAS污染土壤和水体生物修复技术的研究进展，重点探讨植物修复、生物电化学系统以及包括细菌、真菌和微藻在内的微生物降解PFAS的潜力。此外，文章全面概述了PFAS的来源、理化特性、环境归趋与迁移行为，以及微生物代谢活动、降解中间产物的形成、共代谢作用和微生物在PFAS胁迫下的行为表现。文章强调了生物过程在大规模PFAS污染修复中的潜力，为PFAS污染风险管控提供了重要参考。
总结了自然环境中PFAS的赋存、迁移及其最终处理方式，可分为排放、环境相互作用与治理等三个主要阶段，如图1所示。
PFAS在土壤、沉积物、地表水与地下水之间相互作用的关键过程如图2所示。这些系统的高度关联性表明，研究PFAS修复需要采用整体视角。土壤和沉积物不仅是PFAS污染的过滤器和储存库，还可能作为迁移通道将其传输至地下水，从而对水资源造成长期威胁。
基于已有研究结果，本文总结了土壤和水体环境中生物修复降解PFAS的相关机制。其中，氟代端基醇（FTOH）的需氧和厌氧生物转化途径如图3(a)所示。FTOH的需氧降解以氧化生成氟代醛（FTAL）为起点，随后进一步氧化生成氟代羧酸（FTCA），最终转化为氟代不饱和羧酸（FTUCA），在此过程中释放氟离子。 RHA1真菌在好氧条件下降解6:2 FTSA的途径如图3(b)所示。最初，6:2 FTSA被转化为6:2 FTUSA，随后6:2 FTUSA通过脱去磺酸基生成6:2 FTOH。6:2 FTOH在降解的过程中，通过两次脱氟过程实现对氟离子的释放。
图 3 (a) FTOH的微生物好氧与厌氧生物转化途径；(b) RHA1真菌在好氧条件下降解6:2 FTSA的途径
此外，本文总结了铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）在PFOA（全氟辛酸）暴露下的生理和基因响应过程（图4）。为应对PFAS胁迫造成的氧化损伤，铜绿微囊藻通过产生超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶清除活性氧（ROS），并介导过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和L-抗坏血酸过氧化物酶（APX）相关基因的表达以修复氧化损伤，促进H2O2分解。此外，微藻还能通过D1蛋白过度补偿上调光合作用相关蛋白（如PsaD、NdhH、GAPDH），修复光系统I（PSI）及NDH复合体，减少ROS产生，最终实现抗氧化防御、光损伤修复及能量分配调节，从而表现出对PFAS污染的自我适应机制。
图4 铜绿微囊藻对PFOA暴露的连续生理和遗传反应
基于生物修复技术的最新进展，作者通过SWOT分析评估了PFAS生物修复的关键挑战、技术成熟度和未来机遇。当前目标是实现PFAS的矿化，但实际中更需关注提高脱氟效率并减少有毒中间产物的生成，以确保处理的安全性和有效性。此外，探索经济高效的PFAS回收与再利用方案对推动工业化应用和吸引投资至关重要。
图5 PFAS生物修复处理的SWOT分析。S（优势）、W（劣势）、O（机会）、T（威胁）
本文总结了PFAS在环境中广泛存在的现状，强调了其化学稳定性和生物累积性对土壤和水体生态系统的威胁，并探讨了微生物-植物相互作用、真菌-细菌协同降解以及生物电化学系统在PFAS去除中的潜力。在该领域的未来研究中，应关注以下方面：（1）利用宏基因组学和宏转录组学技术揭示PFAS降解的逐步反应路径；（2）通过基因重编程开发工程化蛋白质以提高修复效率；（3）探索合成生物膜、多种微藻混合培养及昆虫介导的生物转化等新兴技术。此外，结合物理化学方法和生物修复技术，可能为PFAS治理提供更加全面且可持续的解决方案。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.seh.2024.100126
Ayushman Bhattacharya，印度理工大学海得拉巴分校（IIT Hyderabad）土木工程系环境工程专业研究学者，目前专注于生物电化学系统在养分回收、生命周期评估和废水处理领域的研究。主要研究兴趣包括生物电化学系统的开发与优化、废水资源化技术、以及环境工程与生命科学交叉领域的可持续解决方案探索。Venkataramana Gadhamshetty，美国南达科他州矿业与技术大学（South Dakota School of Mines and Technology）土木与环境工程系教授，目前从事环境工程中的废弃物转化、污染物治理和水资源管理研究。主要研究兴趣包括废弃物转化为有价值产品的能源回收技术；原子级薄膜涂层对生物膜生长的控制及其在防腐和废水处理中的应用；以及环境污染物的降解与修复技术的开发。
