全氟化合物的生物降解研究進(jìn)展

祖 蕾

(1.寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.寶雞文理學(xué)院 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

全氟化合物(perfluorinated compounds,PFCs)是一類氫原子全部被氟原子取代的直鏈或者支鏈碳?xì)浠衔?，由于其具有?yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、低的表面張力及疏水疏油性能，常被作為表面活性劑和保護(hù)劑廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活消費(fèi)等領(lǐng)域[1-2]。PFCs作為一類新興的有機(jī)污染物，其持久性、生物累積性和遠(yuǎn)距離遷移性已被發(fā)現(xiàn)和證實(shí)[3-4]。近年來(lái)的毒理學(xué)研究表明，PFCs具有典型的肝細(xì)胞毒性[5-6]、神經(jīng)毒性[7]、生殖毒性[8-9]、免疫毒性[7,10]、致癌性[11]等毒理效應(yīng)，由此帶來(lái)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)超出人們預(yù)想。由于PFCs所含的氟原子具有很高的電負(fù)性和小的原子半徑，導(dǎo)致碳氟鍵(C-F)成為自然界鍵能最高的共價(jià)鍵之一而具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性[12]。因此，PFCs污染控制技術(shù)已成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[13]。

近年來(lái)，對(duì)PFCs進(jìn)行脫氟降解的研究已取得了一定進(jìn)展。從文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看，主要降解途徑包括氧化類降解、還原類降解和熱裂解[14-17]；但是從無(wú)害化處理、消除二次污染、污染地原位修復(fù)以及降解所需能耗等方面考慮，在實(shí)際應(yīng)用中生物降解具有更突出的優(yōu)勢(shì)。因此，作者從碳氟鍵斷裂機(jī)理出發(fā)，分析PFCs的3種生物降解機(jī)制，綜述PFCs生物降解的研究進(jìn)展。

1 PFCs的生物降解機(jī)制

生物降解PFCs主要是利用微生物細(xì)胞中的一些酶，如還原脫鹵酶、加氧酶或過(guò)氧化物酶等對(duì)PFCs進(jìn)行脫氟和氧化，從而將其徹底礦化[18-19]。眾所周知，PFCs生物降解的難點(diǎn)就是碳氟鍵的斷裂，斷裂碳氟鍵機(jī)制一般可分為：氧化脫氟、取代脫氟、還原脫氟，而分別涉及到的酶系主要有：?jiǎn)渭友趺?、雙加氧酶、過(guò)氧化物酶，水解酶，還原脫鹵酶。

單加氧酶、雙加氧酶的作用方式都是典型的好氧降解，作用機(jī)制為：在氧氣存在下，將氧氣分子的1個(gè)或2個(gè)氧原子加到PFCs上，使PFCs被氧化，在原來(lái)氟原子的位點(diǎn)引入1個(gè)或2個(gè)羥基，這兩種酶的活性跟呼吸鏈遞氫有關(guān)，大多需要NADH或者NADPH的參與。過(guò)氧化物酶的作用機(jī)制也是一種典型的氧化降解，在一些介質(zhì)存在的情況下能夠產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的自由基，從而引發(fā)鏈?zhǔn)降淖杂苫磻?yīng)，使PFCs的氟原子逐一被脫去，但是過(guò)氧化物酶的作用往往都需要有共底物或介體的存在。

水解酶的降解產(chǎn)物跟單加氧酶很相似，都是在原來(lái)氟原子的位置引入羥基，但是羥基中的氧是來(lái)源于水而不是氧氣。水解酶的作用機(jī)制實(shí)際是酶作為親核試劑直接攻擊碳氟鍵導(dǎo)致了它的斷裂。

還原脫鹵酶跟以上幾種酶相比有一個(gè)明顯的不同：作用環(huán)境一般為厭氧。其作用機(jī)制也與以氧氣作為電子受體的氧化脫鹵不同，它可以PFCs作為電子受體接受從呼吸鏈傳遞的氫而實(shí)現(xiàn)還原脫鹵，所以最后得到的一般都是加氫還原的降解產(chǎn)物，很難發(fā)生徹底礦化。這類生物降解反應(yīng)的關(guān)鍵在于需要合適的電子供體和受體。

2 PFCs的生物降解研究

PFCs的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的生物惰性使得它們很難被自然界的土著微生物徹底礦化，大多數(shù)的研究目前都只是停留在將PFCs轉(zhuǎn)化為全氟辛酸(PFOA)或全氟辛烷磺酸(PFOS)，并沒(méi)有完全脫氟降解[20]。降解生成PFOA和PFOS的氟調(diào)聚物也被稱為前體化合物[21]，具有代表性的就是氟調(diào)醇類(fluorotelomer alcohols，F(xiàn)TOHs)、氟調(diào)磺酸鹽類(fluorotelomer sulfonates，F(xiàn)TSAs)以及它們的衍生物等。

2.1 PFOA前體化合物的生物降解

對(duì)氟調(diào)醇類化合物的研究主要集中在8：2氟調(diào)醇CF3(CF2)7CH2CH2OH(8：2 FTOH)和6：2氟調(diào)醇CF3(CF2)5CH2CH2OH(6：2 FTOH)的生物降解方面。Dinglasan等[22]最早報(bào)道了利用微生物的混合培養(yǎng)物在好氧條件下降解8：2氟調(diào)醇,利用配置有電子捕獲檢測(cè)器的氣相色譜(GC/ECD)監(jiān)測(cè)底物濃度的變化情況，揮發(fā)性和非揮發(fā)性的降解產(chǎn)物則分別采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)和液相二級(jí)質(zhì)譜儀(LC-MS/MS)進(jìn)行分析。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程持續(xù)81 d，目標(biāo)底物在第7 d就已降解了85%，降解半衰期約為0.2 d·mg-1。檢測(cè)到的降解產(chǎn)物有8：2氟調(diào)酸CF3(CF2)7CH2COOH(8：2 FTCA)、8：2不飽和氟調(diào)酸CF3(CF2)6CF=CHCOOH(8：2 FTUCA)、8：2氟調(diào)醛CF3(CF2)7CH2CHO(8：2 FTAL)以及具有高穩(wěn)定性的PFOA，經(jīng)過(guò)81 d的降解，PFOA的生成量約為3%。根據(jù)降解產(chǎn)物的生成情況推測(cè)生物降解的途徑為：目標(biāo)底物在酶的作用下水解生成8：2氟調(diào)醛，然后很快繼續(xù)氧化為8：2氟調(diào)酸，最后經(jīng)由β-氧化脫去1個(gè)氟原子生成8：2不飽和氟調(diào)酸及終產(chǎn)物PFOA。這是第一篇關(guān)于氟調(diào)醇類化合物能夠生物降解生成PFOA的文獻(xiàn)報(bào)道。

隨后，Wang等[23]利用14C標(biāo)記的8：2氟調(diào)醇作為底物，研究了利用活性污泥在封閉體系好氧降解的底物和產(chǎn)物的質(zhì)量平衡，發(fā)現(xiàn)有41%的底物被吸附在聚四氟乙烯的隔墊上，8：2氟調(diào)酸、8：2不飽和氟調(diào)酸和PFOA的生成量分別為27.0%、6.0%和2.1%；另外，還檢測(cè)到一個(gè)新的降解產(chǎn)物7：3 氟調(diào)酸CF3(CF2)6CH2CH2COOH(7：3 FTCA)，生成量為2.3%。該課題組在利用混合細(xì)菌培養(yǎng)體系對(duì)14C標(biāo)記的8：2氟調(diào)醇降解90 d后發(fā)現(xiàn)，除了檢測(cè)到前面提到的幾種化合物外，還檢測(cè)到了新產(chǎn)物[24]：7：3不飽和氟調(diào)酸CF3(CF2)6CH=CHCOOH(7：3 FTUCA)、7：2仲氟調(diào)醇CF3(CF2)6CH(OH)CH3(7：2 sFTOH)、7：3不飽和氟調(diào)酰胺CF3(CF2)6CH=CHC(O)NH2和全氟己酸CF3(CF2)4COOH(PFHxA)，全氟己酸的生成量雖然很低，約為底物的1%左右，但也可以作為碳氟鍵發(fā)生斷裂的證據(jù)。該課題組還研究了有氧土壤中8：2氟調(diào)醇的降解，同樣利用了14C標(biāo)記底物，與前2篇報(bào)道相比，該研究提出了更加完整的8：2氟調(diào)醇生物降解途徑，解釋了PFOA的產(chǎn)生過(guò)程：由于8：2氟調(diào)酸和8：2不飽和氟調(diào)酸α-C上缺乏質(zhì)子，不能發(fā)生β-氧化直接生成PFOA，因此，PFOA的直接產(chǎn)生前體應(yīng)該是7：2仲氟調(diào)醇，反應(yīng)是經(jīng)由單加氧酶催化的氧化過(guò)程。同時(shí)，該研究也檢測(cè)到了14CO2，表明部分底物可以被徹底礦化，提出了一碳單位去除的生物降解機(jī)制[25]。

生物降解氟調(diào)醇的研究除了采用活性污泥或者混合培養(yǎng)物之外，也有一些學(xué)者對(duì)純微生物的氟調(diào)醇降解能力進(jìn)行了考察。Liu等[26]研究了土壤中的假單胞菌(Pseudomonassp.)對(duì)8：2氟調(diào)醇的降解，發(fā)現(xiàn)在加入輔助底物辛醇的情況下，2株假單胞菌對(duì)8：2氟調(diào)醇有明顯的降解，但由于菌株不能直接利用8：2氟調(diào)醇作為碳源來(lái)維持自身的生長(zhǎng)代謝，因此，這2株菌株對(duì)8：2氟調(diào)醇的降解是依靠共代謝完成的。同樣檢測(cè)到了降解產(chǎn)物8：2氟調(diào)酸、8：2不飽和氟調(diào)酸、7：3氟調(diào)酸、7：3不飽和氟調(diào)酸、7：2仲氟調(diào)醇、全氟己酸和PFOA，除此之外，還有全氟庚酸CF3(CF2)5COOH(PFHpA)。

Kim等[27]利用已知的能夠降解烷烴的2株假單胞菌P.butanovora和P.oleovorans對(duì)8：2氟調(diào)醇進(jìn)行降解，得到的降解產(chǎn)物和前面報(bào)道的基本相同，但是2株菌株的降解產(chǎn)物略有不同，在P.oleovorans培養(yǎng)物中檢測(cè)到了7：3氟調(diào)酸和7：3不飽和氟調(diào)酸，而在P.butanovora培養(yǎng)物中卻沒(méi)有檢測(cè)到，這說(shuō)明不同細(xì)菌的降解路徑是不完全一樣的。

以上報(bào)道都是在好氧條件下的生物降解研究，而關(guān)于厭氧體系的研究則非常有限。Zhang等[28]以廢水處理廠的厭氧消化污泥作為培養(yǎng)物，對(duì)14C標(biāo)記的8：2氟調(diào)醇的厭氧降解進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)持續(xù)181 d，8：2氟調(diào)醇的降解半衰期約為145 d，降解速率較好氧降解相對(duì)緩慢。檢測(cè)到的降解產(chǎn)物種類與好氧降解基本相同，只是PFOA的生成量極低，約為0.3%。該研究推測(cè)，降解速率慢主要是受到8：2氟調(diào)酸轉(zhuǎn)化為7：2仲氟調(diào)醇這一步反應(yīng)速率的限制；同時(shí)，由于PFOA的直接產(chǎn)生前體是7：2仲氟調(diào)醇，因此，相對(duì)于好氧降解，厭氧降解產(chǎn)物PFOA的生成量明顯較低。

對(duì)6：2氟調(diào)醇的生物降解研究也主要集中在利用活性污泥或混合培養(yǎng)物[29-30]或純微生物[31]等方面，降解方式也分為好氧降解[29-30,32]和厭氧降解[28]。對(duì)比6：2氟調(diào)醇與8：2氟調(diào)醇的生物降解發(fā)現(xiàn)，兩者在降解產(chǎn)物方面有相同之處：對(duì)于n：2氟調(diào)醇類，降解產(chǎn)物主要包括：n：2氟調(diào)醛、n：2氟調(diào)酸、n：2不飽和氟調(diào)酸、n：2仲氟調(diào)醇、n：2 ketone、(n-1)：3氟調(diào)酸、(n-1)：3不飽和氟調(diào)酸以及少2個(gè)碳的全氟羧酸如PFOA、全氟己酸、全氟戊酸CF3(CF2)3COOH(PFPeA)等。同時(shí)，6：2氟調(diào)醇的生物降解途徑與8：2氟調(diào)醇的也基本相似：首先，6：2氟調(diào)醇水解生成6：2氟調(diào)醛，6：2氟調(diào)醛很快繼續(xù)氧化生成6：2氟調(diào)酸，6：2氟調(diào)酸脫去1個(gè)氟原子生成6：2不飽和氟調(diào)酸，然后通過(guò)細(xì)胞色素P450酶等作用生成5：3仲氟調(diào)醇,最后再脫去1個(gè)碳生成全氟己酸。其中，5：3氟調(diào)酸與7：3氟調(diào)酸一樣，都是(n-1)：3不飽和氟調(diào)酸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，也是生物降解生成量較高的終產(chǎn)物之一。與8：2氟調(diào)醇的降解途徑不同的是，5：3仲氟調(diào)醇除了能脫1個(gè)碳生成全氟己酸之外，還能夠生成少2個(gè)碳的全氟戊酸,且全氟戊酸的生成量也較全氟己酸高，但是7：3仲氟調(diào)醇卻只能得到少1個(gè)碳原子的PFOA，這一現(xiàn)象目前還沒(méi)有得到很好的解釋。

2.2 PFOS前體化合物的生物降解

Yin等[35]對(duì)N-乙基全氟辛基磺酰胺(N-EtFOSA)的生物降解進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，N-EtFOSA只能在好氧條件下降解，產(chǎn)物主要為PFOS。N-EtFOSA生物降解生成PFOS的主要途徑為：N-EtFOSA先脫乙基生成全氟辛基磺酰胺(PFOSA)，PFOSA再脫氨基進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成PFOS[36]。

2.3 PFOA和PFOS的生物降解

PFOA和PFOS的脫氟是PFCs能否被生物降解的關(guān)鍵，盡管有一些研究顯示PFOA在厭氧條件下很難生物降解[37-39]，但對(duì)這2個(gè)典型PFCs的相關(guān)研究并沒(méi)有被放棄，而且近年來(lái)也取得了令人振奮的成果：何海濤等[40]從土壤中馴化得到1株能降解PFOA的克雷伯氏桿菌及2株能降解PFOS的細(xì)菌，在降解產(chǎn)物中均檢測(cè)到了氟離子；謝毓等[41]以PFOS為唯一碳源從土壤中篩選出3種對(duì)PFOS有降解作用的細(xì)菌，分別屬于鞘脂菌屬、中華根瘤菌屬和蒼白桿菌屬，但遺憾的是降解率較低，只有18.4%；Kwon等[42]從廢水處理廠的污泥中分離篩選出1株銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)HJ4,對(duì)PFOS顯示出一定的降解能力，降解48 h后PFOS(1 400～1 800 μg·L-1)的降解率可達(dá)67%；Chetverikov等[43]篩選出1株香魚(yú)假單胞菌(Pseudomonasplecoglossicida)2.4-D，可將PFOS轉(zhuǎn)化成全氟庚酸，降解6 d后PFOS的降解率可達(dá)75%；盡管Liou等[38]研究發(fā)現(xiàn)PFOA在厭氧條件下是生物惰性的，但他們?cè)谘芯縋FOA與三氯乙烯厭氧共代謝時(shí)也發(fā)現(xiàn)了PFOA總量的下降；Yi等[44]通過(guò)馴化篩選出1株副黃假單胞菌(Pseudomonasparafulva)，對(duì)PFOA的降解率可達(dá)48.1%；Colosi等[45]研究發(fā)現(xiàn)，利用辣根過(guò)氧化物酶(HRP)以4-甲氧基苯酚為共代謝物的條件下，發(fā)生Kolbe脫羧，最終可使碳氟鍵斷裂而使PFOA脫氟降解；無(wú)獨(dú)有偶，Luo等[46]也發(fā)現(xiàn)，漆酶以1-羥基苯并三氮唑?yàn)榻橘|(zhì)的條件下，利用自由基的氧化作用，通過(guò)Kolbe脫羧循環(huán)，逐漸脫去氟原子，最終可將PFOA徹底生物礦化生成CO2；最近的一篇報(bào)道[47]發(fā)現(xiàn)，1株放線菌Acidimicrobiumsp.strain A6在PFOA或者PFOS存在下，可以將銨氧化為亞硝酸鹽，同時(shí)還原三價(jià)鐵，在以氫作為電子供體的過(guò)程中，PFOA或PFOS逐漸脫去氟原子，100 d的降解率可達(dá)60%。

3 結(jié)語(yǔ)

PFCs雖然顯示出一定的生物惰性，但相關(guān)報(bào)道研究的條件均為厭氧降解，因此并不能完全否定其被生物降解的潛力，同時(shí)最近也有文獻(xiàn)報(bào)道在有氧氣存在的情況下它們能夠被生物脫氟。目前，對(duì)于PFCs生物降解的研究還是非常有限的：利用微生物菌株的降解僅限于對(duì)菌種和降解率的報(bào)道，沒(méi)有涉及降解機(jī)理的闡明；雖然有利用過(guò)氧化物酶發(fā)生自由基反應(yīng)的機(jī)制報(bào)道，但是對(duì)于這種機(jī)制是否具有普遍適用性還是有其特定的適用范圍，或者生物降解是否還存在其它機(jī)制等很多關(guān)鍵問(wèn)題還并不清楚；此外，無(wú)論是PFOA還是PFOS的降解率都太低，相比其它方法很難突出生物降解的優(yōu)勢(shì)。因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，如何從機(jī)制上進(jìn)一步闡明PFCs的生物可降解性，以及提高其生物降解率將會(huì)是后續(xù)研究需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。