Beyond Molecules: In Situ Imaging Unveils DOM-Driven PFAS Nanoclusters with Mitigated Phytotoxicity

纳米团簇 原位 化学 植物毒性 环境化学 纳米技术 原子力显微镜 分子间力 吸附 分子 机制(生物学) 纳米材料 纳米结构 纳米尺度 纳米颗粒 材料科学 有机分子 溶解有机碳
作者
Xinfei Ge,Kun Wang,Xin Xiao,Chiheng Chu,Xiaoying Zhu,Baoliang Chen
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (9): 7393-7404
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c16338
摘要

The environmental fate and plant toxicity of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) have been assessed based on their presumed molecularly dispersed state. Here, we overturn this paradigm by reporting a widespread yet overlooked nanoscale phenomenon. Using a newly established suite of in situ atomic force microscope (AFM) techniques, we first visualized the dynamic formation of PFAS nanoclusters at the interface of naturally extracted dissolved organic matter (DOM). We further deciphered the underlying mechanism by probing intermolecular interactions, demonstrating that strong binding forces between PFAS molecules and specific DOM functional groups yield numerous small nanoclusters, whereas weaker interactions result in larger, sparser nanoclusters. This mechanism is quantified by a strong negative correlation (R = −0.983, P = 0.017) between nanocluster size and abundance across diverse PFAS structures (nonionic, anionic, cationic, zwitterionic). Crucially, plant exposure experiments demonstrate that this nanocluster formation universally mitigates PFAS phytotoxicity in rice seedlings. Compared to its molecularly dispersed state, the nanoclustered PFAS exhibit significantly reduced uptake, sequestered on root surfaces as a physical barrier. This work identifies the DOM-induced nanoclustering as a critical interface process that governs the bioaccessibility and risks of PFAS, thereby offering a transformative perspective for their environmental assessment and remediation.
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