PFAS 热点议题（三）：PFAS在环境中的迁移变化
环知网热点话题
该热点议题由环知网策划，资料主要参考自美国州际技术与管理委员会 （ITRC）的技术文档。环知网将定期推出热点系列文章。敬请期待！
近年来，PFAS已经在国外引发了环保界的关注。然而在国内，人们对于PFAS的认知还处于比较初级的阶段。
不同的PFAS物质具有很大的化学和物理性质差异。它们被广泛应用于工业生产，消防泡沫，以及消费产品中。尽管毒物学研究发现PFAS的生物累积特性和对人体健康的潜在风险引发了一定的担忧，但直到近十年前对低浓度的PFAS检测方法在经济上和技术上变得可行之前它们都未能引起足够的关注度。PFAS的物理和化学性质使得它们能在环境中游走且长期存在，因此无论是分析监测还是治理都十分地棘手。
在之前的两篇文章中，我们详细地介绍了PFAS的种类、环境影响以及主要的排放途径。这周的热点议题我们将讨论PFAS被排放以后，会发生怎样的迁移与变化并最终融入到自然生态环境中。
普遍认为，了解PFAS的物理和化学性质有利于更好地理解它们在环境中的迁移与变化，但目前公开的关于PFAS性质的研究数据之间却呈现了巨大的差异性，特别是关于溶解度，辛醇-水之间的分配系数（常被用来评估一个物质在水/脂介质之间的分配问题），有机碳-水之间的分配系数（常被用来评估一个物质在水/土壤之间的分配问题）等。由于对一种物质在自然环境中的行为表现预测往往非常依赖于这些数据，即使一点细小的差别也会极大地影响预测结果。因此，在目前缺乏大量可靠数据的情况下，这篇文章将不会给出具体的化学与物理性质数据。取而代之的是，我们会详细讲解各种类PFAS间不同的物理化学性质会如何影响它们在环境中的迁移与变化。我们将会着重分析各种PFAS在环境中的界面分配，质量迁移，形态变化以及生物体吸收等方面。
交互界面分配
基于具体的排放途径与种类，PFAS分子会在环境中不同的介质（如水，空气，土壤等）之间呈现非均匀的分配与分布。因为PFAS拥有较高的溶解度，它们几乎不可能在环境中的独立形成单一的相（Phase）。PFAS的共同特点是两亲性（Amphiphile，即分子中同时有亲水性与亲脂性的部分）以及表面活性（Surfactant），因此它们会在水中或者水-固体界面中形成胶束（micelle），半胶束（semi-micelle），或双分子层（bilayer）。
胶束结构（图片来自维基百科）
一个衡量环境介质间分配行为的系数是有机碳分配系数（KOC），该系数表示了一种物质在有机碳-水交互界面中的分配比例，即被有机碳所通过扩散作用吸收的部分与存留在水中部分之间的比值。一种物质的KOC常受到该物质疏水性能的影响，在不同种类的PFAS中差别很大。举例来说，全氟辛酸酯（PFBA）的KOC是10^1.9（无单位），而全氟辛烷磺胺（PFOSA）则达到了10^4.1。KOC常被用来估算一种物质在水和土壤交互界面中的分配（如地下水，河床等情况下）。因为土壤从水中吸收物质这一过程是可逆的，这种分配属于动态平衡。更高的KOC意味着达到动态平衡的状态下该物质会更多地被土壤所吸收。而另一方面，对于空气-水交互界面的分配则取决于PFAS的蒸汽压与亨利常数。因为大部分PFAS的挥发性一般都比较低，因此它们的蒸汽压也很低，造成在空气-水交互界面中多数PFAS都很少会分配到空气中。尽管如此，因为两亲性的缘故，PFAS依然能够在水-空气交互界面中发生某种意义上的分配：由PFAS分子中碳氟键组成的疏水尾（hydrophobic tail）会突出水面朝向空气而亲水头（hydrophilic head）则会留在水里朝向水下。这种情况发生时宏观上的现象为PFAS在水面形成了浮层。
水-空气交互界面中的部分分配：亲水头与疏水尾的朝向（图片来自ITRC，D. Adamson, GSI）
质量迁移
PFAS的质量迁移包括了平流运动与扩散作用。平流运动指的是PFAS分子随着流体进行的直接迁移，如在水流或气流中。其中，值得注意的是作为PFAS的一个重要传播媒介，空气会携带PFAS随风在全球范围内运动，造成极大范围的影响。与平流运动相比，扩散作用下的质量迁移速率要慢得多，但其同样能造成严重的环境问题。扩散作用是由浓度梯度产生的。扩散作用的一个典型例子是在地下水系统中，PFAS会从地下水中扩散到周围的一些低渗透性物质里，如泥土或岩石等（上文提到的水-土壤交互界面的分配就是一个扩散作用的例子）。因为扩散作用发生的速率极低，一旦PFAS扩散到这些低渗透性物质中就会产生极其顽固的残留。所以被PFAS污染的地下水系统有相当大的治理难度。即使被PFAS污染的地下水可以通过抽取处理和污染源移除等方式处理，周围低渗透性物质中残留的PFAS却难以处理。在地下水被处理干净后，这些物质反而会相较于干净的地下水有更高的PFAS浓度，进而发生逆向扩散，使得PFAS重新从周围物质渗透到干净地下水中再次造成污染。
形态变化
环境迁移与变化的另一个重要研究议题是污染物在环境中的形态变化（主要是化学上的变化）。总体而言PFAS拥有非常稳定的化学性质，使得其在自然环境中不易产生化学变化。不过，有报告指出氟化聚合类PFAS能够在生物或非生物环境下发生某种变化。这些变化会最终产生全氟烷基酸（PFAAs）。而全氟烷基酸在自然环境下不会进一步发生形态变化因此被视为终端产物。不过，目前科学界对氟化聚合类PFAS的这一系列化学变化知之甚少，关于其中化学反应的速率、机理、规模和具体的影响目前尚不明确。
生物吸收与累积
作为自然环境的一部分，生物体内发生的迁移变化也是研究的重点之一。因为PFAS拥有稳定的化学性质，PFAS分子被生物体吸收以后会造成生物累积（bioaccumulation）的问题。典型的PFAS生物吸收是在水中发生的，因此对这类问题的研究最常见于水生生物中。对PFAS来说十分特别的一点是其他会造成生物吸收与累积的非极性污染物质主要分布在生物体脂肪中，而具有极性的或离子化的PFAS分子往往会与血液中的蛋白质相结合。这也使得传统上用于估算生物吸收与生物累积的辛醇-水分配系数（KOW，常被用于估算物质在水/脂交互界面中的分配）不能被用于估算PFAS对水生生物的影响。取而代之的是，PFAS的生物吸收和积累需要通过实验获取的三种因子进行估算：生物浓度因子（BCF），即生物体中的浓度与环境水中的浓度比值；生物累积因子（BAF），即被捕食者BCF与该捕食者本身的BCF之和；以及生物放大因子（BMF），即生物浓度随食物链下游到上游的过程中的上升量。这三个因子是业界对PFAS生物吸收和积累估算的标准，在许多研究项目中都能找到大量的相关结果，这里限于篇幅的原因不再赘述。除了水生环境以外，在陆地上也有观察到的PFAS生物吸收现象。陆生环境中的PFAS吸收常见于植物从PFAS污染的土壤中吸收水分。与水生环境稍微不同的是，对植物的BCF计算方式为植物中PFAS的浓度与土壤中PFAS浓度的比值。陆生环境中的PFAS生物累积现象则发生在食草动物食用这些受到PFAS污染的植物的过程中，并且这些食草动物可能会进一步被食肉动物或人类所食用，使得PFAS生物累积顺着食物链不断向上延伸。
下期预告