土壤中全氟化合物同分异构体的选择性蚯蚓积累代谢机制研究

Perfluoroalkyl substances (PFASs) comprise linear, branched isomers and chiral enantiomers, which display different bioaccumulation, metabolism and toxicity. Thus, it is essential to investigate their environmental behavior at the isomeric and enantiomeric levels. So far, most of the studies have focused on the distribution and bioaccumulation of PFAS isomers in aquatic ecosystem. Limited information is available on the bioaccumulation and metabolism of PFAS isomers in terrestrial system. Therefore，this proposal intends to applied earthworm as model organism to study the mechanisms of isomer-specific bioaccumulation and metabolism of PFASs in soils using a combination of advanced analytical technologies, molecular biological methods and bioinformatics. The following aspects are included: to investigate the distribution of PFAS isomers in soils, pore water, and earthworms in PFAS contaminated field; to explore the key factors influencing the uptake and elimination of PFAS isomers by different earthworm species; to study the differences of bindings between PFAS isomers and soils, and between PFAS isomers and biological molecules, such as protein and lipid; to identify the asymmetric degradation and enantiomeric biotransformation products of PFAS precursors, screen the related target gene and feature the metabolic pathways. This research will be an important step towards the understanding of behaviors and effects of PFASs in the environment, providing the scientific basis for the risks assessments of PFASs.

全氟化合物（PFASs）包含直链、支链异构体及手性对映体。它们的生物累积、代谢、毒性均存在显著差异，因此有必要从异构体和对映体水平进行研究。目前关于PFASs同分异构体环境行为和生物富集的研究全部集中于水生生态系统，在陆生生态系统中的行为认识还非常缺乏。本项目拟以蚯蚓为模式生物，结合野外及实验室控制实验，利用先进分析技术、分子生物学和生物信息学方法，研究污染土壤中PFASs同分异构体在土壤-孔隙水-蚯蚓中的分布特征；探索影响不同属种蚯蚓对PFASs同分异构体代谢特异性的关键因素；明确PFASs同分异构体与土壤及生物分子(蛋白质、脂肪等)的差异性结合；鉴定蚯蚓对PFASs前体化合物同分异构体的不对称降解、对映体转化产物，甄别作用于降解、转化的目的基因, 识别代谢通路。最终揭示土壤中PFASs同分异构体选择性蚯蚓累积、代谢机制。为全面准确评价PFASs的迁移、转化与归趋及生态风险提供科学依据。

全氟化合物包含直链、支链异构体。它们的生物累积、代谢、毒性均存在显著差异，只有在异构体水平进行深入研究，才能准确评价PFASs环境行为及生态健康效应。目前关于PFASs异构体的研究集中于水生生态系统，陆生生态系统的研究还十分匮乏。本项目以蚯蚓为模式生物，结合实际污染场地调查及实验室实验进行研究, 研究内容和结果如下：.建立了UPLC-MS/MS测定污泥、土壤和蚯蚓中PFOA、PFOS和PFHxS的直链和支链异构体的方法。应用该方法在污泥、污泥施用大田土壤和蚯蚓中检测到6种PFOA异构体、8种PFOS异构体以及2种PFHxS异构体，并发现污泥及污泥施用土壤中直链异构体的比例大于工业品中的，而蚯蚓中支链异构体的比例大于土壤中的。.研究了赤子爱胜蚓、威廉环毛蚓和参环毛蚓对土壤中PFASs异构体的富集特征。三种蚯蚓对PFASs的BAFs顺序为：赤子爱胜蚓>威廉环毛蚓>参环毛蚓，与蚯蚓体内可溶解性蛋白质含量顺序一致。三种蚯蚓的BAFs均随PFCAs碳链长度的增加而增加。但对于PFSAs，参环毛蚓的BAFs随PFSAs碳链长度的增加而增加，而赤子爱胜蚓和威廉环毛蚓的BAFs的大小顺序则为: PFHxS > PFOS > PFBS。赤子爱胜蚓与威廉环毛蚓体内直链异构体的比例显著大于土壤中的比例，而参环毛蚓体内直链异构体的比例显著小于土壤中的比例。随土壤中PFASs浓度的增加，直链异构体在赤子爱胜蚓体内的比例增加。我们还检测了PFASs异构体在孔隙水中的分布。.研究了PFASs前体物质N-EtFOSA直链、支链同分异构体的蚯蚓吸收以及在土壤-蚯蚓系统中降解的差异性。在土壤和蚯蚓中发现了N-EtFOSA的一种直链（L-EtFOSA）、三种支链异构体（iso-, 5m-，3m-N-EtFOSA），吸收过程中，直链异构体BAFs大于支链异构体。在蚯蚓和土壤中还发现N-EtFOSA的降解产物FOSA和PFOS，二者均包含一种直链、三种支链异构体。N-EtFOSA异构体的降解符合一级反应动力学模型，支链异构体的降解速率大于直链异构体。随着-N-EtFOSA异构体亲水性的增加，其降解速率增加。本研究有助于深入认识土壤中PFASs的迁移转化及最终归趋，为正确评价其环境行为和生态与健康风险提供依据。