廖晨宇 錢力波 黃美薇 郭 勇 劉 超 陳慶云

(1.中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所，上海 200032； 2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 前言

水成膜泡沫滅火劑(AFFF)是添加了含氟和碳?xì)浔砻婊钚詣┑呐菽芤?。它通常置于軍事基地和商業(yè)機(jī)場(chǎng)之中，是撲滅油類火災(zāi)的最佳選擇[1]。自20世紀(jì)60年代以來，全氟辛烷磺酸及其衍生物(PFOS)被廣泛用于AFFF中，然而，在使用和處理的過程中會(huì)直接或間接地排放到環(huán)境中，對(duì)生態(tài)環(huán)境及人的身體健康造成威脅。出于對(duì)環(huán)境安全和人類健康的擔(dān)憂，自2000年以來，各個(gè)國家和地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)了各種法規(guī)以限制其使用。2009年，PFOS及其衍生物被列入《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》附件B中[2]。作為《斯德哥爾摩公約》履約國，我國于2014年聯(lián)合宣布全面禁止除特定豁免和可接受用途以外FPOS的生產(chǎn)、使用及進(jìn)出口。鑒于PFOS等長鏈全氟及多氟烷基化合物在生產(chǎn)和生活中具有不可替代性，開發(fā)新型表面活性劑以取代AFFF中的全氟辛烷磺酸是非常重要和緊迫的。作為PFOS的替代品，新型氟調(diào)聚表面活性劑6 ∶2氟調(diào)聚磺酰胺烷基甜菜堿(6 ∶2 FTAB)被廣泛用于水成膜泡沫滅火劑中，并不可避免地釋放于環(huán)境中。6 ∶2氟調(diào)聚磺酸(6 ∶2 FTSA)是6 ∶2 FTAB的降解產(chǎn)物之一，其也是PFOS的替代品，用作鉻霧抑制劑和電子產(chǎn)品的清洗劑[3]。然而，人們對(duì)其在生物與環(huán)境中的降解方式所知甚少，缺乏規(guī)律性總結(jié)。對(duì)這些物質(zhì)相關(guān)的降解研究進(jìn)行分類匯總，使人們對(duì)這類物質(zhì)在環(huán)境中的生物降解模式能夠有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

1 6 ∶2 FTSA在自然界中的降解

1.1 在微生物環(huán)境中的降解

6 ∶2 FTSA作為AFFF的重要成分，可以在活性污泥、細(xì)菌和生物酶的環(huán)境下發(fā)生不同程度的降解。

2010年，Wang等[4]通過研究污水處理廠中6 ∶2 FTSA的好氧生物轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)最初投加的6 ∶2 FTSA中有不到7%在90天后轉(zhuǎn)化為各種產(chǎn)物，說明污水處理廠活性污泥中6 ∶2 FTSA的好氧生物轉(zhuǎn)化相對(duì)較慢。在好氧土壤中，6 ∶2 FTSA所有穩(wěn)定轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的產(chǎn)率(2.9%)比6 ∶2氟調(diào)聚醇(6 ∶2 FTOH)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率低19倍，因此，6 ∶2 FTSA不太可能是污水處理廠中全氟羧酸(PFCA)和多氟酸的主要來源。他們還發(fā)現(xiàn)6 ∶2 FTSA的微生物好氧脫磺化過程可能是6 ∶2 FTSA生物轉(zhuǎn)化的限速步驟，且大量6 ∶2 FTSA(24%)可能會(huì)不可逆地結(jié)合到活性污泥的有機(jī)成分上，不利于進(jìn)一步的生物轉(zhuǎn)化。該作者還提出活性污泥中6 ∶2 FTSA的生物降解途徑，見圖1。

由圖1可見，首先 6 ∶2 FTSA初級(jí)生物轉(zhuǎn)化繞過6 ∶2 FTOH直接形成6 ∶2 FTUCA，其次按照類似于細(xì)菌培養(yǎng)物和土壤中6 ∶2 FTOH的途徑降解，最終形成PFPeA和PFHxA。

2013年，Van等[5]研究了6 ∶2 FTSA在革登菌NB4-1Y中的代謝過程，提出了NB4-1Y降解6 ∶2 FTSA的初步途徑，見圖2。

ISGA 1218、1222和563可能起到降解作用圖2 NB4-1Y中6 ∶2 FTSA的擬代謝途徑

由圖2可見，6 ∶2 FTSA首先被次氮基三乙酸鹽單加氧酶脫硫?yàn)? ∶2 FTAL和磺酸鹽，隨后6 ∶2 FTAL被氧化為6 ∶2 FTCA，緊接著脫去HF生成6 ∶2 FTUCA，直到最后降解成5 ∶3 FTCA。因此，革登菌NB4-1Y中的酶可以使6 ∶2 FTSA降解。

2016年，Zhang等[6]研究了6 ∶2 FTSA在好氧和厭氧沉積物中的生物轉(zhuǎn)化潛力。他們發(fā)現(xiàn)6 ∶2 FTSA在半衰期小于5天的好氧河流沉積物中迅速發(fā)生生物轉(zhuǎn)化并且90天后觀察到的主要穩(wěn)定轉(zhuǎn)化產(chǎn)物為5 ∶3 FTCA(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為16%)、PFPeA(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為21%)和PFHxA(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%)。與易于生物轉(zhuǎn)化的6 ∶2 FTOH對(duì)比，6 ∶2 FTSA在厭氧沉積物中超過100天沒有發(fā)生明顯的生物轉(zhuǎn)化，這表明酶促脫硫步驟限制了厭氧沉積物中的6 ∶2 FTSA生物轉(zhuǎn)化。因此，6 ∶2 FTSA相關(guān)產(chǎn)品在釋放到含氧環(huán)境后相比于厭氧環(huán)境有更強(qiáng)的生物降解傾向，并形成5 ∶3 FTCA、PFPeA和PFHxA等產(chǎn)物，見圖3。

圖3 6 ∶2 FTSA在河流沉積物樣品中發(fā)生生物轉(zhuǎn)化后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化產(chǎn)物

2019年，Yin等[7]研究了在好氧和缺氧條件下，在人工濕地收集的新鮮泥漿中6 ∶2 FTSA的生物轉(zhuǎn)化。發(fā)現(xiàn)在缺氧條件下，僅有物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)小于0.7%的6 ∶2 FTSA被生物轉(zhuǎn)化，且5 ∶3 FTCA是唯一被檢測(cè)到的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。因此，在缺氧條件下6 ∶2 FTSA的生物轉(zhuǎn)化極為緩慢。在有氧條件下，Methylocaldum(γ-變形菌)成為接觸6 ∶2 FTSA的優(yōu)勢(shì)菌屬，說明它們對(duì)6 ∶2 FTSA有更高的耐受性，是潛在的6 ∶2 FTSA降解菌?？偟膩碚f，在好氧和缺氧條件下，6 ∶2 FTSA的生物轉(zhuǎn)化都極為緩慢。

2019年，Hamid等[8]研究了異養(yǎng)細(xì)菌(HET)和異養(yǎng)細(xì)菌同時(shí)與氨氧化細(xì)菌(AOB)及亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)復(fù)配兩種情況下，其對(duì)垃圾滲濾液中6 ∶2 FTSA生物轉(zhuǎn)化和PFCA形成中的作用。發(fā)現(xiàn)在HET+AOB+NOB的環(huán)境中6 ∶2 FTSA生物轉(zhuǎn)化率較高(20%)，可能是由于氨單加氧酶(AMO)的存在，同時(shí)也觀察到在HET+AOB+NOB條件下PFCA的轉(zhuǎn)化率較高?？偟膩碚f，采用生物硝化系統(tǒng)處理垃圾滲濾液可能會(huì)增加6 ∶2 FTSA生物轉(zhuǎn)化和PFCA產(chǎn)量。

目前，人們對(duì)6 ∶2 FTSA生物轉(zhuǎn)化的酶知之甚少，對(duì)促進(jìn)6 ∶2 FTSA脫硫和脫氟條件的探索仍不充分。2022年，Yang等[9]研究了Rhodococcus jostii (約斯蒂紅球菌)RHA1對(duì)6 ∶2氟調(diào)聚磺酸(6 ∶2 FTSA)的脫硫和脫氟作用，發(fā)現(xiàn)6 ∶2 FTSA只能在無硫條件下由RHA1進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，并確認(rèn)6 ∶2 FTSA進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化的初步中間體為6 ∶2 FTUSA，以及第二步中間體為6 ∶2 FTCA，同時(shí)檢測(cè)到了PFHpA，因此，α-氧化是一種可能的生物轉(zhuǎn)化途徑，這也證實(shí)了鹵代酸脫鹵酶、烷烴單加氧酶和細(xì)胞色素P450等酶在6 ∶2 FTSA的脫氟過程中起著重要作用，為6 ∶2 FTSA生物轉(zhuǎn)化提供了新的路徑，見圖4。

虛線箭頭表示路徑中存在多個(gè)步驟圖4 無硫培養(yǎng)基中在乙醇或1-丁醇上生長的RHA1的6 ∶2 FTSA生物轉(zhuǎn)化途徑

1.2 在植物中的降解

雖然已經(jīng)證實(shí)6 ∶2 FTSA在水生生物中的生物累積或生物放大能力較低，但它仍可能構(gòu)成潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。植物可以吸收土壤中的6 ∶2 FTSA并進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，對(duì)植物本身以及通過食物鏈對(duì)人類健康進(jìn)行威脅。

2019年，Zhao等[10]通過水培試驗(yàn)研究了南瓜對(duì)6 ∶2 FTSA的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝作用。研究者在培養(yǎng)南瓜12天后對(duì)其進(jìn)行凍干處理，測(cè)量得到南瓜根部中6 ∶2 FTSA代謝產(chǎn)物的濃度大小順序?yàn)镻FHpA>PFBA>PFPrA>TFA>PFHxA≈PFPeA，且PFHpA及PFBA的產(chǎn)量占所有穩(wěn)定轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的比例較高。因此與在微生物環(huán)境中的代謝不同，6 ∶2 FTSA中的碳碳鍵均受到攻擊。作者還提出了6 ∶2 FTSA在南瓜根部的降解途徑，見圖5。

圖5 6 ∶2 FTSA在南瓜根部的生物轉(zhuǎn)化途徑

由圖5可見，首先6 ∶2 FTSA通過α-氧化形成相同氟碳鏈長度的PFHpA，同時(shí)在β-氧化前形成中間代謝物，之后通過消除HF形成具有碳數(shù)為6的PFHxA，再經(jīng)過水解和所有后續(xù)產(chǎn)物的氧化逐步生成碳鏈越來越短的PFCA(PFPeA、PFBA、PFPrA和TFA)。

2 6 ∶2 FTAB在自然界中的降解

2.1 光降解

大部分對(duì)AFFF表面活性劑的研究主要集中在微生物的生物降解上，因?yàn)锳FFF可能進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)，系統(tǒng)中活性生物相互作用。然而水溶性表面活性劑，如AFFF中的表面活性劑很可能通過水生環(huán)境最終進(jìn)入地表水。在地表水中與生物降解相比，光降解通常起著更大的作用。

2016年，Trouborst[11]使用光降解系統(tǒng)研究6 ∶2 FTAB的水溶液光降解。測(cè)定了6 ∶2 FTAB光解動(dòng)力學(xué)，比較了直接光解和間接光解的相對(duì)效應(yīng)，對(duì)氟化產(chǎn)物包括許多主要的含氟羧酸進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，提出了一種6 ∶2 FTAB在環(huán)境中發(fā)生光轉(zhuǎn)化的機(jī)理，見圖6，確定了8種6 ∶2 FTAB光解的氟化產(chǎn)物：6 ∶2 FTAA、6 ∶2 FTSAm、6 ∶2 FTSA、6 ∶2 FTOH、6 ∶2 FTUCA、PFHpA、PFHxA和PFPeA。該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)6 ∶2 FTAB對(duì)直接光解和間接光解均敏感，測(cè)試出間接光解的半衰期為14～108 h，直接光解的半衰期為(34±18) h。當(dāng)溶解的有機(jī)物濃度增加時(shí)，6 ∶2 FTAB的光解速率變緩。因此，影響光解半衰期的主要因素是溶解的有機(jī)物濃度。

虛線箭頭表示反應(yīng)存在多個(gè)步驟圖6 6 ∶2 FTAB的擬定水溶液光降解

2.2 在微生物環(huán)境中的降解

由于前人對(duì)AFFF中發(fā)現(xiàn)的PFCAs的降解研究有限，D′Agostino等[12]研究了6 ∶2 FTAB和6 ∶2 FTAA在好氧污水處理廠污泥中的生物降解。他們首先合成了6 ∶2 FTAA和6 ∶2 FTAB，并且制備了用于生物降解研究的單個(gè)同系物(其純度足以檢測(cè)PFCA的生成)，他們還合成了6 ∶2 FTAB降解產(chǎn)物6 ∶2 FTSAm以量化6 ∶2 FTAB的降解情況。結(jié)果表明，在培養(yǎng)109天后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)活性試驗(yàn)組中仍有至少保留了20% 6 ∶2 FTAB的峰電位，還發(fā)現(xiàn)了6 ∶2 FTOH、6 ∶2 FTCA、6 ∶2 FTUCA、5 ∶3 FTCA和PFCA等生物降解產(chǎn)物，這表明6 ∶2 FTAB的生物降解非常緩慢，不太可能在污水處理廠中容易降解為PFCA，并且在暴露于需氧微生物的環(huán)境中可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。作者還發(fā)現(xiàn)6 ∶2 FTAB生物降解的唯一主要產(chǎn)物為6 ∶2 FTSAm，其降解機(jī)理：從氮原子孤對(duì)電子中的一個(gè)電子的氧化開始進(jìn)行N-脫烷基化以產(chǎn)生6 ∶2 FTSAm。

此前在活性污泥中觀察到的緩慢生物轉(zhuǎn)化，表明脫硫可能為限速步驟，但未證明純培養(yǎng)物具有分解6 ∶2 FTAB的能力。2019年，Shaw等[13]在硫限制條件下，將6 ∶2 FTSA和6 ∶2 FTAB放置在革登菌株NB4-1Y培養(yǎng)液中7天，之后對(duì)其水溶性和揮發(fā)性分解產(chǎn)物進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)168 h后，70.4%的60 μM 6 ∶2 FTAB降解為10種主要分解產(chǎn)物，摩爾回收率為84.7%。NB4-1Y使6 ∶2 FTAB降解的主要途徑是6 ∶2 FTUCA轉(zhuǎn)化為5 ∶2 ketone，而次要降解途徑是6 ∶2 FTUCA轉(zhuǎn)化為5 ∶3 FTCA，見圖7。結(jié)果表明，在硫限制條件下革登菌株NB4-1Y能夠利用6 ∶2 FTSA和6 ∶2 FTAB作為主要硫源，從而使6 ∶2 FTSA和6 ∶2 FTAB進(jìn)一步降解。

圖7 在硫限制條件下6 ∶2 FTSA和6 ∶2 FTAB的主要降解途徑

2.3 在動(dòng)物體內(nèi)的降解

大菱鲆是一種自然棲息地位于近海工業(yè)區(qū)的魚類。在之前的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)大菱鲆對(duì)其自然棲息地中的烷基酚、多環(huán)芳烴和雙酚A等物質(zhì)敏感，因此，許多研究組選擇了大菱鲆作為試驗(yàn)物種以評(píng)估海上工業(yè)中使用的物質(zhì)的毒性。2011年，Hagenaars等[14]為了評(píng)估AFFF的危害和風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)PFOS的替代品Forafac 1157進(jìn)行生態(tài)毒理學(xué)測(cè)試。為了避免早期生命階段的死亡以及老年生命階段性別差異造成的影響，該試驗(yàn)將幼年大菱鲆在不同濃度的Forafac 1157和Forafac 1157N氟表面活性劑混合物環(huán)境中培養(yǎng)14天。測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)orafac 1157和Forafac 1157N均在大菱鲆體內(nèi)發(fā)生了代謝，但未闡明母體化合物及代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。2012年，Moe等[15]通過1H、13C和19F核磁共振波譜以及高分辨質(zhì)譜首次對(duì)Forafac 1157中的6 ∶2 FTAB的結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡明，且對(duì)從藍(lán)貽貝和大菱鲆中分離出的主要代謝物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，結(jié)構(gòu)如圖8所示。藍(lán)貽貝的主要代謝產(chǎn)物為脫乙酰代謝物，大菱鲆肝臟中提取出的3種主要代謝物為單脫甲基代謝物、6 ∶2 FTAA和6 ∶2 FTSAm。并提出兩種可能的代謝機(jī)理：1)第一步為脫羧(CO2損失)，第二步為季胺的去甲基化；2)直接脫去乙酰(CH2COO-從消化酶接受質(zhì)子變?yōu)镃H3COOH脫去)。

圖8 藍(lán)貽貝和大菱鲆中分離出的主要代謝物的結(jié)構(gòu)

2019年，Shi等[16]將成年斑馬魚放在不同劑量的6 ∶2 FTAB(65%)、6 ∶2 FTAA(35%)的環(huán)境中，研究了180天后的慢性毒性，評(píng)估了6 ∶2 FTAB和6 ∶2 FTAA在成年魚的肝臟和性腺以及胚胎的全身中的生物濃度和生物降解。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6 ∶2 FTAB在成體組織及其后代中并未檢測(cè)到，同時(shí)發(fā)現(xiàn)濃度為50 μg/L和500 μg/L的6 ∶2 FTAB、6 ∶2 FTAA混合物環(huán)境中，斑馬魚的平均產(chǎn)卵量會(huì)降低且后代的畸形與死亡率會(huì)升高。這些結(jié)果表明，6 ∶2 FTAB會(huì)在斑馬魚中代謝為6 ∶2 FTAA, 6 ∶2 FTAA會(huì)在成年斑馬魚中累積并遺傳給后代；6 ∶2 FTAB、6 ∶2 FTAA混合環(huán)境會(huì)擾亂成年斑馬魚的內(nèi)分泌系統(tǒng)并損害其后代發(fā)育。因此，環(huán)境評(píng)估不僅應(yīng)關(guān)注6 ∶2 FTAB本身的生物累積潛力，還應(yīng)關(guān)注其主要下游代謝物6 ∶2 FTAA的生物累積潛力。伴隨著這些物質(zhì)的大量使用和潛在毒性的增加，對(duì)這些化合物進(jìn)行全面的水環(huán)境監(jiān)測(cè)顯得至關(guān)重要。

2.4 在植物中的降解

盡管大多數(shù)研究都集中于6 ∶2 FTAB在動(dòng)物、微生物環(huán)境中的降解，陸生植物作為受污染土壤影響最大的生物之一，其對(duì)6 ∶2 FTAB的降解方式仍不清楚。因此，2022年Zhao等[17]通過水培試驗(yàn)研究了6 ∶2 FTAB在小麥中的生物轉(zhuǎn)化途徑。他們將6 ∶2 FTAB添加入培養(yǎng)液12天后，處理分析發(fā)現(xiàn)小麥根和莖中8種代謝物的濃度大小順序分別為6 ∶2 FTSA>TFA>PFHpA>PFBA>PFHxA>PFPeA>6 ∶2 FTCA>PFPrA和6 ∶2 FTSA>PFHpA～TFA>6 ∶2 FTCA>PFBA>PFHxA>PFPeA。這些結(jié)果表明，非氟官能團(tuán)、磺酰胺官能團(tuán)以及6 ∶2 FTAB的氮硫鍵、碳硫鍵和碳碳鍵均受到了攻擊。作者還提出了不同于動(dòng)物和微生物中6 ∶2 FTAB的代謝途徑，見圖9。

圖9 6 ∶2 FTAB在小麥中的生物轉(zhuǎn)化途徑

3 結(jié)語

6 ∶2 FTAB及其降解產(chǎn)物6 ∶2 FTSA作為PFOS類氟表面活性劑的替代品，被廣泛用于水成膜泡沫滅火劑中，其對(duì)環(huán)境的影響受到廣泛的關(guān)注。現(xiàn)有報(bào)道表明，6 ∶2 FTSA和6 ∶2 FTAB在光環(huán)境和生物環(huán)境下均會(huì)發(fā)生降解。此外，植物中6 ∶2 FTSA的主要降解產(chǎn)物為PFHpA，而微生物環(huán)境中的主要降解產(chǎn)物為5 ∶3 FTCA、PFPeA和PFHxA。隨著人們對(duì)于全氟或多氟烷基物質(zhì)的關(guān)注度提升，這類PFAS生物降解能力的研究會(huì)提高人們對(duì)全氟烷基物質(zhì)降解能力的認(rèn)識(shí)。

致謝：

感謝國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(21737004)，中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目(KFJ-STS-QYZX-068)，福建省科技廳(2020T3020)和三明市科技局揭榜掛帥項(xiàng)目(2021-G-50)的資助