持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs）是一类具有长期残留性、生物累积性、半挥发性和高毒性的物质，它并不能被化学、生物和光解过程轻易降解，并能通过各种环境介质（如大气、水和生物等）长距离迁移，对人类健康和环境具有严重危害性。由于POPs具有长久残留性，它们能够在环境中长时间存在，并随着整个生态系统循环（大气环流和沉降、地表径流和全球海洋生物地球化学循环等），从而在海洋生态系统和陆地生态系统产生影响。随着这些物质的停产，一次污染源大幅减少，但原始残留的物质仍然充当着二次污染源，对我们的环境仍然起着重大影响。
图 近年监测POPs在沿海海水中检出数 (北冰洋为重点关注)
这并不是我们第一次提到POPs，上一期关于内分泌干扰物我们也提到了部分POPs如多氯联苯（PCBs），这是因为部分POPs具有内分泌干扰的危害。最早的POPs于2001年在《斯德哥尔摩公约》公布，大部分POPs是农药或杀虫剂，少部分是药物和工业化学物，包含十二种，列在下表中，后续还有一些新的POPs被添加，包括一些多环芳烃（PAHs）、溴化阻燃剂和其它化合物，例如PFOS（全氟磺酸及其衍生物），截止2024年12月，经过8次增列，目前公约公布管控的持久性有机污染物种类已达34种。
目前持久性有机物主要被分为：杀虫剂类POPs、工业产品类POPs和无意排放类POPs（Unintentionally Produced Persistent Organic Pollutants，Up-POPs）。其中Up-POPs主要指各种工业过程的副产物，比如二恶英，它们一般随烟气排放进入大气，吸附在大气颗粒物上的POPs随着沉降过程进入土壤和水体系统，进入整个生态大循环。
表 《斯德哥尔摩公约》包含的POPs名单
POPs的来源
持久性有机污染物来源于农药物及化工品人工生产，少部分来源于化工生产/垃圾处
理中产生的副产物（二恶英），所以持久性有机污染物可以被划分为有意生产的化学物质和无意生产的化学物质。根据我国环保总局的调查发现，我国废弃库存POPs农药的总量约为4000-6000万吨，尽管大多数的POPs已被停止生产和使用，但世界上已很难找到没有POPs存在的净土了。
POPs的迁移和转化
POPs在人体中积累：
人体主要通过食物和空气暴露接触POPs，甚至最近对于室内灰尘和空气的研究表
明，室内环境时人类吸入和食入POPs的主要来源。对于人体中的生物富集来说，食物中包含的POPs随着食物链向上传递，由于POPs具有高亲油性和高憎水性，所以她主要积累在脂肪组织，对人体健康有着重大影响。
POPs在环境中的迁移：
POPs在环境中的迁移主要通过水循环和空气颗粒进行，对全球环境样本的调研发
现， POPs在全球污染的水体、土壤中均被检出，证实了POPs在环境中的迁移性。POPs的时空分布随洋流改变和气候变化影响，这些与政策管控密切相关。
图 PFAS在水生环境下的转化趋势概览
致癌影响：
接触持久性有机污染物可能会导致发育缺陷、慢性疾病甚至死亡，根据国际癌症研究机构（IARC）的说法：有部分POPs是公认的致癌物，包括乳腺癌。部分POPs也是内分泌干扰物（EDCs，上期推文介绍），POPs随着年龄的增长，在血清中的含量逐步增加。
内分泌紊乱：
大多数POPs会扰乱内分泌系统的正常功能，在胎儿、新生儿和儿童的关键发育时期接触POPs对一生的健康均会产生影响。有研究发现，在关键发育期暴露于POPs会对不同物种生物的内分泌系统和发育产生健康影响，对人体来说，关键发育期即胎儿发育期。
图 PFAS对人体的危害
生殖系统：
POPs的暴露与生殖健康直接相关，长期接触POPs对男性生殖系统精子质量和数量的下降具有直接影响，而宏观性别比例改变和青春期的提前也与POPs的接触密切相关。据研究，POPs对女性生殖系统的损害则体现在一些疾病上，例如子宫内膜异位症。
免疫系统：
POPs会抑制免疫系统的正常反应、影响巨噬细胞的活性、降低生物体的抵抗力，研究表明，海豚的T细胞淋巴球增殖能力的降低和体内富集的DDT等杀虫剂类POPs显著相关。母乳喂养和奶粉喂养婴儿的健康T细胞和受感染T细胞的比率与母乳的喂养时间及母乳中杀虫剂类POPs的含量相关。
其它毒性：
POPs还会引起一些其它器官组织的病变，导致皮肤表现出表皮角化、色素沉着、多汗症和弹性组织病变等症状。一些POPs还可能引起精神心理疾患症状，如焦虑、疲劳、易怒、忧郁等。
目前已报道的POPs去除方法主要包括高级氧化法、化学还原法、超声波/金属还原法、吸附法等物理化学方法，这类方法成本高、去除不彻底、容易造成二次污染且对于不同污染物的去除效率不一。目前国际上环境生物修复的技术核心在于微生物修复技术。微生物降解POPs的主要途径涉及厌氧还原脱卤、有氧脱卤、开环矿化等。
目前主要的研究热点为：
（1）POPs（多种POPs/复合污染）暴露下，微生物群落组成和结构变化差异，及其人体危害性的提升（例如抗生素抗性基因、毒力因子等）；
（2）微生物对于POPs的生物降解能力，微生物的生物修复潜力探讨，如构建合成群落（Syncom）降解POPs等；
（3）微生物群落对于暴露于污染物的宿主调节功效。
取样样本：如上图，通常设置不同浓度，不同处理方式，取环境样本（水、土壤等）、植物、动物等样本进行组学检测。
生物学重复：≥5个（考虑个体差异性存在，可适当增加每组生物学重复数目）。
英文标题： Electron bifurcation and fluoride efflux systems implicated in defluorination of perfluorinated unsaturated carboxylic acids by Acetobacterium spp
发表期刊：Science Advances（IF：11.7）
发表时间：2024.07
样本类型：单菌菌沉淀
组学技术：原核转录组+蛋白组（A. bakii）
图 研究思路图
研究内容：
全氟和多氟烷基物质 (PFAS) C─F键的酶促断裂在很大程度上是未知的，由于环境污染的不可逆性，人们正在热切地寻求通过系统生物学来促进PFAS生物修复。在本篇文章中，作者发现了一种菌——Acetobacterium spp对 α、β-不饱和全氟和多氟羧酸的还原脱氟作用。通过表征，作者发现该菌的脱氟产物表现出区域特异性和立体特异性，与酶促反应的形成一致。作者对几种Acetobacterium spp的脱氟活性进行比，体内抑制测试和计算机酶建模的结果表明，一种酶 （CarABCDE）参与了微生物的还原脱氟。本篇文章研究了特定微生物对PFAS进行酶促还原脱氟，并对整个脱氟过程发生的反应进行了表征，鉴定出一种潜在参与微生物脱氟的酶，CarABCDE，为后续生物降解PFAS提供了有效参考。
图 不同Acetobacterium spp对PFMeUPA的脱氟能力及抗氟化物能力的比较
英文标题：Metabolic and Microbial Profiling of Soil Microbial Community under Per- and Polyfluoroalkyl Substance (PFAS) Stress
发表期刊：Environmental Science&Technology（IF：10.8）
发表时间：2023.11
样本类型：土壤
组学技术：非靶代谢+靶向代谢（PFAS）+16S rDNA测序+ITS测序
图 研究思路图
研究内容：
全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 对生物体造成重大压力，会破坏微生物群落结构和功能。然而，土壤微生物群落在代谢水平上对PFAS胁迫的反应尚不清晰。本篇文章中，作者基于UPLC-HRMS的代谢组学数据与16S rDNA和ITS扩增子数据，研究了氟聚合物生产设施附近采集的土壤样本。通过直接识别微生物代谢途径中的生化中间体以及PFAS暴露胁迫下微生物群落结构的相互作用，作者观察到代谢物和微生物多样性之间存在很强的相关性。这一结果表明土壤代谢物概况和微生物群落结构以及相对于设施的采样位置存在显著差异。在代谢物-PFAS共现网络中确定了某些关键代谢物，它们对微生物代谢起作用，包括脂质代谢、氨基酸代谢和次级代谢物生物合成。这些结果为PFAS污染对土壤代谢组和微生物组的影响提供了新的见解。
图 微生物与代谢物α多样性和β多样性
英文标题： Unravelling the processes involved in biodegradation of chlorinated organic pollutant: From microbial community to isolated organohalide degraders
发表期刊：Water Research（IF：11.4）
发表时间：2024.10
样本类型：底泥
组学技术：16S rDNA测序+细菌完成图
研究内容：
研究表明，氯化有机污染物（Chlorinated organic pollutants，COPs）可以进行生物修复。然而，特定功能菌株在湿地等复杂介质下降解COPs中的作用尚不清楚。本篇文章中，作者专注于COPs污染沉积物的微生物特性，确定了可以降解COPs的特定细菌，并对这些细菌进行了基因组分析。在实验过程中，作者一共获取了4株菌，分别鉴定为 Petrimonas sulfuriphila PET、Robertmurraya sp. CYTO、Hungatella sp CloS和Enterococcus avium PseS3。这些菌能够降解典型的COP——γ-六氯环己烷（γ-HCH）。残留 γ-HCH 浓度分别为其初始值的58.8 % （PET） 、 45.6 %（CYTO） 、 60.2 % （CloS1） 和 69.3 % （PseS3）。菌株 PET、CYTO 和 CloS1 可将 γ-HCH 降解为其脱卤产物氯苯。每个菌株都含有与卤代有机物降解（例如 2-卤酸脱卤酶）和钴胺素生物合成途径注释的基因，这些基因参与COPs的降解。作者进一步研究了这些菌株发挥脱卤功能的主要基因，通四种菌株和其他经典有机卤化物呼吸细菌的比较基因组分，作者发现这些菌株共享与钴胺素生物合成过程相关的直系同源簇（GO：0009236）。在四种菌株的培养系统中也检测到 VB12，进一步突出了钴胺素在COPs降解中的重要性。在四个菌株的基因组中，一些基因被注释到水平基因转移（Horizontal gene transfer，HGT）区域内，这一结果表明，携带这些基因的微生物可以通过HGT更快地适应污染压力。总之，这些发现揭示了功能菌株的协同进化机制。
图 比较基因组分析结果
1. Galbán-Malagón, C., Berrojalbiz, N., Ojeda, M.-J. & Dachs, J. The oceanic biological pump modulates the atmospheric transport of persistent organic pollutants to the Arctic. Nat Commun 3, 862 (2012).
2. Zhang, X. et al. Pesticides in the atmosphere and seawater in a transect study from the Western Pacific to the Southern Ocean: The importance of continental discharges and air-seawater exchange. Water Res 217, 118439 (2022).
3. Zhang, X. et al. Exploring global oceanic persistence and ecological effects of legacy persistent organic pollutants across five decades. Science Advances 10, eado5534 (2024).
4. 斯德哥尔摩公约 - 主页. https://www.pops.int/.
5. Simonich, S. L. & Hites, R. A. Global Distribution of Persistent Organochlorine Compounds. Science 269, 1851–1854 (1995).
6. Elgarahy, A. M. et al. Exploring the sources, occurrence, transformation, toxicity, monitoring, and remediation strategies of per- and polyfluoroalkyl substances: a review. Environ Monit Assess 196, 1209 (2024).
7. Vallack, H. W. et al. 控制持久性有机污染物——下一步该怎么做？1. Environmental Toxicology and Pharmacology 6, 143–175 (1998).
8. Damstra, T. Potential effects of certain persistent organic pollutants and endocrine disrupting chemicals on the health of children. J Toxicol Clin Toxicol 40, 457–465 (2002).
9. Fenton, S. E. et al. Analysis of PFOA in dosed CD-1 mice. Part 2: Disposition of PFOA in tissues and fluids from pregnant and lactating mice and their pups. Reproductive Toxicology 27, 365–372 (2009).
10. El-Shahawi, M. S., Hamza, A., Bashammakh, A. S. & Al-Saggaf, W. T. An overview on the accumulation, distribution, transformations, toxicity and analytical methods for the monitoring of persistent organic pollutants. Talanta 80, 1587–1597 (2010).
11. Zhang, C. & Bennett, G. N. Biodegradation of xenobiotics by anaerobic bacteria. Appl Microbiol Biotechnol 67, 600–618 (2005).
12. Yu, Y. et al. Electron bifurcation and fluoride efflux systems implicated in defluorination of perfluorinated unsaturated carboxylic acids by Acetobacterium spp. Science Advances 10, eado2957 (2024).
13. Wu, E. et al. Metabolic and Microbial Profiling of Soil Microbial Community under Per- and Polyfluoroalkyl Substance (PFAS) Stress. Environ. Sci. Technol. 57, 21855–21865 (2023).
14. Liu, M. et al. Unravelling the processes involved in biodegradation of chlorinated organic pollutant: From microbial community to isolated organohalide degraders. Water Research 268, 122730 (2025).
解析细胞功能基因集变异——遇见GSVA|生信开发实战
空间代谢多组学研究思路-备战国自然2025
备战国自然2025：乳酸化修饰蛋白组在植物中的研究思路∣修饰蛋白组学专题
本文系联川生物公众号原创文章，未经授权禁止转载，侵权必究！ 扫描下方二维码 点分享
点点赞
点在看
