第一作者：李世龍

通訊作者：段亮

通訊單位：中國環(huán)境科學(xué)研究院

論文DOI：10.1016/j.watres.2025.124033

文章導讀

全氟/多氟烷基化合物（PFAS）用途廣泛，賦存形態(tài)多樣，其中全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）具有很高的穩定性，仍在部分環(huán)境水體維持高濃度，現有化學(xué)、生物及物理技術(shù)均受限于苛刻條件或冗長(cháng)周期，難以高效去除。

正滲透微生物燃料電池OsMFC通過(guò)將正滲透（FO）和微生物燃料電池（MFC）相結合，可以同時(shí)實(shí)現廢水處理、清潔水提取和電能產(chǎn)生。陽(yáng)極的厭氧微生物可以分解有機物以實(shí)現污染物的去除，產(chǎn)電微生物可以將化學(xué)能轉化為電能從而實(shí)現廢水資源化，由于陰、陽(yáng)極液間存在滲透壓差，廢水中的水分子跨過(guò)FO膜被汲取至陰極一側從而實(shí)現清潔水的生產(chǎn)。

OsMFC在實(shí)現清潔水和清潔能源的可持續發(fā)展目標方面具有巨大潛力。然而，膜污染會(huì )導致水通量降低以及水處理成本增加，這無(wú)疑會(huì )阻礙OsMFC的實(shí)際應用。

本研究系統評估了PFOA和PFOS對OsMFC性能及膜污染的影響，進(jìn)一步研究了OsMFC中污染膜的表面性質(zhì)、污垢組成和膜污染形成機制。通過(guò)定量分析和結構方程模型確定了OsMFC中PFAS的分布和去除路徑，并首次闡明了OsMFC中PFAS的去除機制。

文章亮點(diǎn)

1.全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的存在加劇了膜污染并影響了膜污染的成分和結構；

2.當水力停留時(shí)間為10天時(shí)，全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的去除率超過(guò)了60%；

3.PFOA和PFOS在OsMFC中的主要去除途徑是生物膜吸附。

主要內容

1.PFAS暴露對膜污染的影響

PFOA和PFOS暴露初期，OsMFC中FO膜表面污染層厚度更小，這歸因于吸附PFAS后的絮體不易在膜表面的沉積（圖1（a））。然而，隨著(zhù) PFAS濃度的增加，FO膜表面的污垢變得更加明顯，這歸因于PFAS暴露導致的微生物產(chǎn)物的分泌增加。長(cháng)期PFAS暴露條件下，膜污垢層更致密（圖2（b））。PFOA暴露條件下，FO膜表面粗糙度高于對照組，并且隨著(zhù)濃度的增加而進(jìn)一步增大；PFOS暴露條件下，FO膜表面粗糙度低于對照組（圖2（c））。粗糙度越高，可供污染物附著(zhù)的面積就越大，膜污染進(jìn)一步惡化的可能性也就越大。PFOA暴露使得膜污染的惡化速度更快，而PFOS條件下膜污染的發(fā)展速度相對較慢。PFOA和PFOS暴露條件下，FO膜表面的接觸角均顯著(zhù)增大，這表明膜親水性的降低（圖2（d））。

555cm-1、688cm-1和 832cm-1處的特征峰是新FO膜所特有的，PFAS暴露條件下這些峰的強度減弱甚至消失。污染膜上，1020cm-1 處的峰與多糖或類(lèi)似多糖的物質(zhì)有關(guān)。1260cm-1處的峰表明磷脂和/或核酸的存在。1540cm-1和1630cm-1 處的信號分別對應于酰胺I（CeO伸縮）和酰胺II（NeH平面伸縮），它們代表了蛋白質(zhì)二級結構的特征。通過(guò)比較1020cm-1處的峰強度，可以看出在PFOA存在的情況下，多糖含量顯著(zhù)降低，在PFOS存在的情況下則顯著(zhù)增加。通過(guò)比較1630cm-1和1540cm-1處的峰強度，可以看出在 PFOA和PFOS存在的情況下，蛋白質(zhì)含量顯著(zhù)增加。圖3（a）和（b）表明，在PFOA和PFOS的影響下，OsMFC反應器中FO膜表面存在大量有機污垢。

PFAS暴露條件下，微生物和生物膜會(huì )基于自我保護機制增強胞外聚合物（EPS）的分泌。如圖2（c）所示，α-D-吡喃多糖和β-D-吡喃多糖在膜上的分布較為分散，彼此聚集形成斑點(diǎn)狀分布。蛋白質(zhì)和細胞則均勻分布在膜上，形成連續的污垢層，它們可能對過(guò)濾阻力起主要作用。PFOA暴露條件下，α-D-吡喃多糖和β-D-吡喃多糖的熒光強度降低，而蛋白質(zhì)和細胞的數量顯著(zhù)增加。PFOS存在時(shí)，α-D-吡喃多糖、β-D-吡喃多糖和細胞的熒光強度降低，而蛋白質(zhì)含量顯著(zhù)增加。PFOA與細胞和蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)，與另外兩種污染物呈負相關(guān)。PFOS與蛋白質(zhì)和α-D-吡喃多糖呈正相關(guān)，與另外兩種污染物呈負相關(guān)（圖 3(d)）。

2.PFAS在OsMFC中的去除機制與歸趨

闡明OsMFC中PFAS的分布和歸趨有助于優(yōu)化污染物的去除效果。以下對PFOA和 PFOS的分布進(jìn)行了定量分析（圖4）。在OsMFC中，36.24%的PFOA被生物膜吸附，18.33% 被懸浮液中的絮體（EPS）吸附，6.45%被膜污染層吸附，而FO膜對PFOA的截留率達到99.902%。31.59%的PFOS被生物膜吸附，20.12%被懸浮液中的絮體（EPS）吸附，10.75%被膜表面的膜層污染層吸附，而FO膜對PFOS的截留率達到了99.971%?？傊?，在PFOA和PFO的去除過(guò)程中，碳氈上的生物膜對PFOA和PFOS的吸附和去除占比最高。

通過(guò)結構方程模型和相關(guān)性分析，明確操作條件（PFOA/PFOS的初始濃度和HRT）對OsMFC的影響，并進(jìn)一步確定了去除PFOA和PFOS的主要途徑。如圖5（a）所示，產(chǎn)水對初始PFOA濃度有微弱的負響應，并受到HRT的正調節；產(chǎn)電受到初始PFOA濃度和HRT的負調節。如圖5（c）所示，產(chǎn)水對初始PFOS濃度有微弱的負響應，并受到HRT的正調節；產(chǎn)電受到初始PFOS濃度的正調節，延長(cháng)HRT對產(chǎn)電不利。COD去除對初始PFOA/PFOS濃度有負響應，并受到HRT的正調節。初始PFOA/PFOS濃度的增加和HRT的延長(cháng)對PFOA/PFOS的去除率和膜截留率有不同的促進(jìn)作用。

根據操作條件與響應因素之間的相關(guān)性分析（圖5（b）和（d）），PFOA和PFOS的去除過(guò)程受到生物膜、胞外聚合物（EPS）以及膜表面污垢層吸附去除的共同影響，其中生物膜吸附去除起主導作用，且其相關(guān)系數最高。因此，可以認為生物膜吸附去除是 OsMFC中去除PFOA和PFOS的關(guān)鍵途徑。

研究結論

全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）暴露初期可能會(huì )減少膜污染，但隨著(zhù)時(shí)間推移，微生物因接觸全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）而生成更多的胞外聚合物（EPS），會(huì )加劇膜污染。正滲透微生物燃料電池（OsMFC）中的膜污染主要由α-D-吡喃葡萄糖、β-D-吡喃葡萄糖、蛋白質(zhì)和細胞組成。對于含PFOA的OsMFC，建議早期進(jìn)行膜清洗；而對于含PFOS的OsMFC，清洗可安排在運行后期進(jìn)行。物理和化學(xué)清洗方法均被證明能有效控制膜污染，這兩種清洗方法的水回收率分別可達67%和72%。這些見(jiàn)解對于基于膜的生物反應器中膜污染控制策略的發(fā)展至關(guān)重要，尤其是在處理含PFAS的廢水方面。此外，通過(guò)優(yōu)化水力停留時(shí)間（HRT），PFOA和PFOS的去除率得到提高（超過(guò)60%）。同時(shí)，當HRT為10天時(shí)，輸出電位穩定在0.5V，水通量在3~8L·m-2·h-1范圍內，化學(xué)需氧量（COD）去除率超過(guò)92%，PFOA和PFOS的膜截留率均可達到99.9%以上。PFOA和PFOS的去除過(guò)程受到生物膜、EPS和膜污染吸附去除的共同影響，其中生物膜吸附去除起主導作用。希望本研究對OsMFC反應器中PFAS的去除與優(yōu)化提供參考，進(jìn)一步推動(dòng)OsMFC技術(shù)的發(fā)展與應用。

作者簡(jiǎn)介

第一作者：李世龍

中國環(huán)境科學(xué)研究院2025級博士研究生。

通訊作者：段亮

研究員，博士研究生導師，國家生態(tài)環(huán)境保護青年拔尖人才，中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì )青年科學(xué)家金獎獲得者。近年來(lái)主持國家重大科技水專(zhuān)項課題、國家自然科學(xué)基金等項目30余項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文160余篇，其中Envir.Sci.Tech、Water Res.等SCI論文80余篇；授權發(fā)明專(zhuān)利等20項，主編著(zhù)作10部；獲省部級一等獎5項、二等獎4項。