科学通报|全氟和多氟烷基物质与微生物相互作用的研究进展|代谢物|多氟烷|微生物|科学通报|细菌|食物链

近年来, 全氟和多氟烷基物质(PFASs)污染已成为全球性环境问题。PFASs的生产和使用导致其通过多种途径进入并持久存在于环境中。一方面, PFASs会对环境中的微生物产生毒性效应, 主要毒性机制包括：增加膜透性、引起氧化应激和诱导DNA损伤, 从而使得对PFASs较为敏感的微生物活性降低甚至生长受到抑制。长期作用下, PFASs可以改变微生物群落的组成和结构, 并且还有基于微生物的食物链传递风险。另一方面, 微生物及其胞外分泌物所形成的生物被膜可以吸附环境中的PFASs, 并利用自身分泌的胞外酶(如, C-SO3−键裂解酶、磷酸酯酶和聚氨酯酶等), 通过铁氨氧化、脱硫和水解等反应转化或降解PFASs。

本文系统阐述了PFASs与环境微生物的相互作用, 重点总结了PFASs对细菌的细胞毒性; 分析了PFASs对环境(土壤、淡水、海洋)微生物群落组成、结构及生态系统物质循环的影响; 深入讨论了PFASs的微生物转化/降解途径; 并结合现在存在的问题及挑战(PFASs通过细菌进入食物链、PFASs对微生物群体行为的影响以及代谢物标准品缺乏等), 对以后的研究方向进行了展望, 以期为客观评价PFASs的环境风险提供重要的理论支撑。

本文提出以下展望：

目前关于PFASs对细菌群体行为影响的研究较少, 且大多停留在具体表观现象的探究, 缺乏具体机制的研究。细菌群体行为包括生物发光、生物被膜的形成和毒力因子的释放等。对于环境中的致病菌而言, PFASs对细菌群体行为(毒力因子的释放)的影响会进一步影响其致病性, 对水产养殖业构成严重威胁。因此, 了解PFASs影响细菌群体感应的机制对养殖业等针对性的采取防治措施十分重要, 应倍加关注。未来的研究可利用高分辨液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)、原核转录组测序技术和生物暴露实验相结合的方式系统评估PFASs对细菌群体行为在分子和基因层面的影响机制, 以及评估PFASs对细菌致病性的影响。

生物被膜作为PFASs的载体, 能否影响其食物链传递和生物放大亟需深入研究。微生物作为生态系统中的分解者, 并不属于食物链中的营养级, 因此在评估PFASs的食物链风险时通常会忽略微生物的作用。但生物被膜可以被许多无脊椎动物(如, 蜉蝣和蜗牛)摄食, 从而作为食物链的一部分进行传递。已有研究表明, 蓄积于生物被膜中的PFASs可沿食物链进入动物体内, 具有向更高营养级传递的风险。这为评估PFASs的食物链风险评价提供了新角度。未来的研究可通过构建中宇宙系统, 真实、客观地评估PFASs在不同环境食物链中通过微生物向高营养级传递的风险。

虽然已经发现微生物可降解PFASs, 但由于一些代谢物标准品的缺乏, 仍无法确定PFASs生物转化途径中一些中间产物的生成, 还需进一步探索PFASs的转化/降解机理。非靶向代谢物的鉴定、转化/降解产物的毒性效应和环境归趋也是亟待解决的问题。

进入环境的PFASs会与环境中的其它环境介质(如矿物、天然有机质)或污染物(如微塑料)相互作用, 这一过程可能会改变PFASs的迁移、转化及其毒性效应。研究污染物的复合毒性能更客观、真实的反应污染物的环境行为和生物效应, 为污染物的环境健康风险评价提供客观依据, 应引起重视。

图1 PFASs对细菌的毒性机制. ① 细菌EPS分泌量增加; ② PFASs与EPS中的蛋白质/酶结合; ③ 细菌膜流动性和膜透性增加; ④ 与膜蛋白合成有关的基因下调, 与膜不饱和脂肪酸合成有关的基因上调, 提高膜的不稳定性和流动性; ⑤ 引起氧化应激; ⑥ 诱导DNA损伤

图2 PFASs对生态系统物质循环和营养传递的影响. (a) 物质循环: 环境中的PFASs通过降低敏感菌的丰度, 对生态系统碳、氮、磷和硫循环产生不利影响; 黑色实线代表已被证实的过程, 黑色虚线代表可能存在的过程, 三种彩色箭头代表在不同环境中PFASs对微生物种群丰度的影响; (b) 营养传递: 蓄积于生物被膜中的PFASs可沿寄生/捕食性食物链向高营养级传递; 红线代表寄生性食物链, 蓝线代表捕食性食物链, 实线代表已被证实的过程, 虚线代表可能存在的过程

图3 N-EtFOSE的微生物转化途径. 虚线框中的化合物为潜在中间产物. 中间产物N-EtFOSA进一步转化的二个途径, 途径Ⅰ: 脱烷基转化为FOSA; 途径Ⅱ: 羟基化生成N-EtFOSA Alcohol

图4 6:2 FTOH的微生物转化途径. 中间产物6:2 FTUCA进一步转化的三个途径, 途径Ⅰ: 经多步转化生成5:2 ketone; 途径Ⅱ: 还原脱氟生成5:3 u acid; 途径Ⅲ: 经多步转化生成5:2 ketone aldehyde