综述：全氟和多氟烷基物质（PFAS）的全球分布及其对微生物温室气体排放的影响和机制

PFAS通过氧化应激、细胞膜损伤及代谢干扰影响微生物温室气体排放，其中N₂O敏感性最高，CO₂存在剂量效应差异，混合PFAS加剧排放紊乱。研究揭示PFAS与微生物群落功能的关键作用机制，提出需加强多组学解析及污染生态毒性模型构建。

创晨|樊新云|张学萌|曹学康|刘超|郭雷|陈英光

中国同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源再利用国家重点实验室，上海市四平路1239号，200092

摘要：

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类广泛存在于环境中的持久性有机污染物（POPs），这些污染物的分布区域与温室气体（GHGs）的排放热点区域存在重叠。本文综述了PFAS对三种典型温室气体（CH₄、N₂O和CO₂）微生物排放的影响、区域响应模式及其潜在机制。N₂O的排放受PFAS影响最为显著，其次是CH₄；而CO₂的排放则表现为“低剂量时促进、高剂量时抑制”的模式，其敏感度取决于环境介质。混合PFAS的存在使实际情况下的响应更加复杂，且真实的PFAS污染会进一步增强N₂O的排放，并干扰CH₄和CO₂的正常排放。从机制上看，PFAS通过诱导氧化应激、破坏细胞膜（特别是AMO/NOR/MCR）以及改变微生物代谢来发挥作用。目前对于混合PFAS在真实环境中的复杂影响仍存在许多认知空白，未来的研究应重点关注污染生态毒性、多组学技术在微生物适应机制解析中的应用以及预测模型的开发。

引言

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类含有亲水官能团和疏水性全氟或多氟碳链的氟化化学品（Niu等人，2024年）。由于它们具有出色的稳定性和表面活性，全球已有超过15,000种PFAS变体被生产和应用于工业领域（Bhattacharya等人，2025年；Z. Zhang等人，2022年）。在被归类为持久性有机污染物（POPs）后，一些传统的PFAS如全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）已被逐步淘汰，这促使了替代品的发展（Hamid等人，2024年）。例如，氯化多氟烷基醚磺酸（Cl-PFESAs，商品名F-53B）和六氟环氧丙烷二聚酸（HFPO-DA，商品名GenX）分别作为PFOS和PFOA的替代品（Y. Wang等人，2019年）。本文中提到的几种PFAS在表1中有所列出。

PFAS独特的化学结构使其具有极强的环境持久性和水溶性（Glüge等人，2020年；Z. Wang等人，2014年）。这些特性导致PFAS在全球陆地、水生和大气生态系统以及生物体内普遍存在，对生态和人类健康构成威胁（Ma等人，2022年；Pandamkulangara Kizhakkethil & Kourtchev，2025年；Zarębska等人，2024年）。与动植物相比，微生物由于细胞结构较为简单，对PFAS的敏感性更高（Qian等人，2024年）。同时，微生物产生的温室气体（GHS）是全球变暖的主要驱动力。这些气体排放受到功能性微生物（如甲烷生成菌、反硝化菌、微藻）在生物地球化学循环中的严格调控。

一个关键但未被充分认识的事实是，PFAS污染热点与微生物温室气体排放热点之间存在广泛的重叠。例如，湿地是甲烷和一氧化二氮的主要来源，这些气体通过大气沉降和地表径流在湿地中积累（Feng等人，2023年）。此外，受到短链PFAS污染的农业土壤也是重要的氮氧化物和二氧化碳排放源（Ke等人，2020年）。这种空间上的重叠意味着PFAS可能干扰微生物的温室气体排放，但这种相互作用的程度和机制尚不清楚。

尽管人们对PFAS的毒性和微生物温室气体调控越来越关注，但仍存在三个关键问题限制了我们的理解：（1）PFAS对温室气体排放的浓度依赖性效应整合不足；（2）对PFAS对不同类型温室气体排放影响的认识碎片化；（3）对PFAS污染特征与相应温室气体排放响应之间联系的关注不够。为解决这些问题，本文首先系统地概述了PFAS的来源和分布（包括传统PFAS和新型替代品）。其次，总结了PFAS对微生物群落结构、功能基因丰度和酶活性的浓度和类型依赖性影响，这些都与温室气体排放密切相关。此外，从细胞和分子层面分析了PFAS对相关功能性微生物的毒性机制，以更深入地理解PFAS与功能性微生物之间的相互作用。此外，还建立了一个将温室气体排放响应与PFAS污染特征联系起来的框架，为环境管理提供了实用指导。

章节片段

PFAS的来源

PFOA和PFOS是典型的传统PFAS，其来源与工业生产和应用密切相关，具体信息见表S1（Calore等人，2023年；Tulcan等人，2025年）。例如，PFOA曾广泛用于氟聚合物生产（如特氟龙）、灭火剂（AAF）和食品包装。自2000年代起，发达国家根据《斯德哥尔摩公约》逐步淘汰了PFOA的生产，生产重心转移到了中国（Calore等人，2023年）。而PFOS主要是在

PFAS对甲烷（CH₄）排放的影响

微生物产生的甲烷主要由甲烷古菌（如Methanolinea、Methanosarcina和Methanoculleus）驱动，而甲烷氧化菌（如Methylocaldum和Methanomethylovorans）则在环境中利用甲烷（Cao等人，2022年；Yin等人，2018年）。催化甲烷生成和氧化的关键酶基因包括编码甲基辅酶M还原酶的mcrA和编码可溶性/颗粒状甲烷单加氧酶的mmo（见图1（a）、（b）

PFAS对一氧化二氮（N₂O）排放的影响

微生物产生的一氧化二氮主要发生在氨氧化和反硝化过程中。氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）中的amoA基因编码氨单加氧酶，该基因与N₂O的排放潜力有关（Cui等人，2016年）。在反硝化过程中，nirK、nirS和norBC基因共同调节N₂O的生成，而只有nosZ基因介导N₂O进一步还原为N₂（见图2（a）

PFAS对二氧化碳（CO₂）排放的影响

净CO₂排放取决于微生物产生的CO₂（通过有机碳降解）与CO₂固定（主要通过光合微生物的Calvin-Benson循环）之间的平衡（见图3（a）和（b））。多项研究（见表S2）表明，PFAS对微生物群落和CO₂相关过程有显著影响，下文将根据不同环境介质进行讨论。

PFAS影响温室气体排放的机制

由于PFAS独特的化学结构和性质，它们通过特定的分子机制影响参与温室气体排放的功能性微生物，从而诱导细胞毒性。本节讨论了PFAS暴露下细胞水平的改变、细胞结构损伤以及功能性微生物的变化。细胞和分子层面的机制见图4。

结论

本文系统总结了全氟和多氟烷基物质（PFAS）的来源、全球分布及其对微生物CH₄、N₂O和CO₂排放的影响，并阐明了背后的细胞和分子机制。主要创新结论如下：

三种典型的温室气体（CH₄、N₂O和CO₂）对PFAS的敏感性不同，其阈值和响应模式取决于PFAS的结构和功能性微生物。其中，N₂O的排放受PFAS的影响最为显著

作者贡献声明

陈英光：监督、资金获取。刘超：监督、资金获取。曹学康：数据可视化。郭雷：监督。创晨：撰写、审稿与编辑、概念构思。张学萌：撰写、审稿与编辑、数据管理。樊新云：撰写、审稿与编辑、数据管理

未引用的参考文献

Ke等人，2020年；Li等人，2024年；Li等人，2024年；Li等人，2023年；Li等人，2024年；Li等人，2023年；Li等人，2025年；Liao等人，2025年；Liu等人，2025年；Wang等人，2024年；Yang等人，2025年。

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52470053）和中国博士后科学基金计划（编号2024T170665和2022M722396）的财政支持。