中國網(wǎng)／中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊   20?世紀以來，人工化學品合成和使用的增速顯著。截至?2015?年?6?月，美國化學文摘社（Chemical Abstracts Service，CAS）登記的包括有機物、金屬、配位化合物、聚合物、鹽類等在內(nèi)的化學品達到?1?億種；短短?4?年后的?2019?年，該數(shù)字增加為?1.5?億種，平均每年新增化學品超過?1?200?萬種。?2013?年發(fā)布的《中國現(xiàn)有化學物質(zhì)名錄》，收錄的化學物質(zhì)已超過?4.5?萬種。

上述化學品經(jīng)工業(yè)生產(chǎn)和生活使用后，不可避免地進入環(huán)境中而產(chǎn)生更為復雜的化學、生態(tài)和健康效應。實際上，近代工業(yè)污染催生了環(huán)境化學的發(fā)展。1962?年，《寂靜的春天》（Silent Spring）的出版引起學術界對滴滴涕造成的野生生物發(fā)育損傷的高度關注；1996?年，《我們被偷走的未來》（Our Stolen Future）的出版再次引發(fā)了人們對環(huán)境內(nèi)分泌干擾物健康影響的關注。環(huán)境保護研究經(jīng)歷了從常規(guī)大氣污染物（如二氧化硫、粉塵等）、常規(guī)水體污染物（如化學需氧量等）治理和重金屬污染控制，到痕量持久性有機污染物（POPs）消減的循序漸進過程。

全球社會締約使?POPs?從被動應對轉向主動防御。基于對?POPs?的環(huán)境持久性（P）、長距離傳輸性（LRT）、生物富集性（B）和毒性（T）4?個共有特性的高度關注，自?2001?年?5?月起包括中國在內(nèi)的?179?個國家和地區(qū)簽署并加入《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》（以下簡稱《斯德哥爾摩公約》）。該公約對包括二噁英、滴滴涕在內(nèi)的?12?種典型?POPs?物質(zhì)實施禁止或限定使用。從締約國的數(shù)量上不僅能看出公約的國際影響力，更體現(xiàn)了世界各國對?POPs?污染問題的重視程度；同時，這也標志著人類在世界范圍內(nèi)對?POPs?污染控制的行動從被動應對到主動防御的轉變。

伴隨著《斯德哥爾摩公約》的履約進程，針對?POPs?的分析方法、環(huán)境行為、生態(tài)風險和環(huán)境健康的研究越來越成為環(huán)境科學研究的熱點。對研究對象的認識和理解也從對具有顯著生態(tài)效應的經(jīng)典?POPs?的確定和同族物的追蹤，深入到對具有類似?POPs?物質(zhì)特性的新型有機污染物的聚焦。特別是典型?POPs?物質(zhì)的替代品的風險評估、管理和控制開始受到關注。這些新型環(huán)境有機污染物的共有特點包括：同時具有一項或多項?POPs?類物質(zhì)的特征（環(huán)境持久性、長距離傳輸性、生物富集性、毒性），是目前正在大量生產(chǎn)使用的化合物，環(huán)境存量較高，以及生態(tài)風險和健康風險的數(shù)據(jù)累計尚不能滿足風險管理標準等。上述新型有機污染物也對化學品安全評估體系的調(diào)整和完善提出了新的挑戰(zhàn)。

新型有機污染物環(huán)境行為和健康風險的評估也是《斯德哥爾摩公約》的重要組成部分。作為一個開放性的公約，任何一個締約方都可向公約秘書處提交將某一新型有機污染物納入《斯德哥爾摩公約》受控的草案。自?2013?年至今共有多溴二苯醚、全氟辛基磺酸鹽等?16?種新型有機污染物被列入《斯德哥爾摩公約》受控名單。目前，正在進行公約審查的候選物質(zhì)還包括全氟己基磺酸及其鹽和相關物質(zhì)、得克隆和甲氧氯。這些新型有機污染物在我國均有一定規(guī)模的生產(chǎn)、使用或排放。

我國新型?POPs?污染具有獨特性。化學工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010?年起我國化學工業(yè)產(chǎn)值躍居世界首位，超過國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的?10%。作為化工產(chǎn)品大國，新型?POPs?在我國所引起的環(huán)境污染和健康風險問題比其他國家更加嚴重，也可能存在國外不受關注而在我國環(huán)境介質(zhì)中廣泛存在的新型污染物。對于這部分化合物所開展的研究工作有助于全面評估化學品安全監(jiān)管的產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟成本；為我國合理制定履行《斯德哥爾摩公約》政策、開展化學品風險管理行動提供科學依據(jù)；并為化學品替代技術的發(fā)展提供有效建議。另外，伴隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，產(chǎn)生污染導致的健康問題在我國的集中顯現(xiàn)，新型?POPs?污染物的毒性與健康危害機制已成為近年來相關研究的熱點問題。

發(fā)現(xiàn)新型有機污染物的關鍵科學問題

長期以來，我國學者研究中涉及的?POPs?均是由國外專家率先提出的，研究大多是探討這些污染物在中國環(huán)境下的賦存行為、遷移規(guī)律、累積機理、毒性機制及健康危害和消減控制技術。根據(jù)我國的化學工業(yè)結構、地球化學特征、使用和排放差異等因素和特點，發(fā)現(xiàn)在我國環(huán)境中具有重要影響的新型污染物，將能逐步改變我國在本領域研究的被動跟蹤局面。

2006?年，經(jīng)過充分的準備，環(huán)境化學與生態(tài)毒理學國家重點實驗室正式提出在我國環(huán)境介質(zhì)中篩選和發(fā)現(xiàn)新型污染物的研究方向。開始該方向的研究，首先需要回答下列關鍵科學問題：發(fā)展篩選理論和方法，制定識別策略和原則——如何判斷并鎖定具有污染物特征的化合物結構？從哪里入手？建立環(huán)境樣品微量分析方法——在沒有標準品的條件下如何對痕量化合物進行濃度分析和結構確定？確定污染物的環(huán)境化學行為——如何測試確定目標化合物的持久性、生物富集性、毒性特征？其歸宿和環(huán)境意義如何？

新型有機污染物的基本識別原則

對新型有機污染物的篩選和判別，需考慮化學品排放和使用引發(fā)的環(huán)境影響能力、明確污染物的環(huán)境行為特征。綜合而言，只有當市售化工產(chǎn)品滿足以下?3?個要求時才可能對自然環(huán)境和生物產(chǎn)生重要影響?：該化合物的物理-化學性質(zhì)必須滿足一項或多項?POPs?類物質(zhì)的特性（環(huán)境持久性、長距離傳輸性、生物富集性、毒性）。該化合物必須具有一定的生產(chǎn)量和使用量。例如，3?000?t?揮發(fā)性有機物釋放到大氣中并達到基本平衡后，其在大氣中的濃度僅為約?1?ng/m3。一般將年產(chǎn)量大于?454?t?的物質(zhì)稱為高生產(chǎn)量物質(zhì)，這些物質(zhì)需受到關注。該化合物需具有特定的使用和環(huán)境釋放途徑。例如，添加型溴代阻燃劑——多溴二苯醚在塑料制件中的使用、含氟表面活性劑產(chǎn)品中全氟烷基化合物的殘留均可引發(fā)潛在的環(huán)境問題。

在上述?3?個條件中，對化合物環(huán)境化學行為影響最大的因素是該化合物的物理-化學參數(shù)。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署等國際權威組織對具有潛在?POPs?特性化合物的物理化學性質(zhì)進行了明確的歸類：當該化合物在水體、底泥和土壤中的半衰期（T_1/2）>?180?d?時，認為其具有環(huán)境持久性；當該化合物的過冷飽和蒸汽壓（V_p）<?1?000?Pa，且大氣氧化半衰期（AO?T_1/2） > 2 d時，認為其具有長距離傳輸能力；當該化合物的辛醇-水分配系數(shù)（log?K_OW）>?5，且生物富集因子（BAF）或生物濃縮因子（BCF）>?5?000?時，則認為其具有生物富集能力。

引導發(fā)現(xiàn)策略的分析方法框架

分析方法的研究是發(fā)現(xiàn)新型有機污染物的關鍵。其主要難點在于無特定的目標化合物，研究對象是復雜環(huán)境介質(zhì)整體，所覆蓋組分的復雜程度決定了多樣化引導發(fā)現(xiàn)方法策略的重要性。集合樣品前處理、儀器分析和數(shù)據(jù)挖掘的體系創(chuàng)新，對定量結構—效應關系模型、高分辨質(zhì)譜疑似目標/非目標解析方法、效應導向分析等技術手段的綜合應用是完成對研究對象的“全覆蓋”、實現(xiàn)新型污染物發(fā)現(xiàn)“必然性”的可靠保證（圖?1）。

定量結構—性質(zhì)關系模型方法

定量結構—性質(zhì)關系（QSPR）方法的基本假設是化合物分子結構決定了物理-化學參數(shù)的變化；而物理-化學參數(shù)與實際環(huán)境行為存在密切關系。因此，在僅掌握化合物分子結構信息的基礎上，利用理論計算得到物理-化學參數(shù)的集合，即可實現(xiàn)對具有潛在?POPs?特性污染物的識別和篩選。

物理-化學參數(shù)的預測是化學計量學研究的經(jīng)典分支。方法的建立需要一系列分子的結構編碼信息，以及各物質(zhì)通過實驗得到的實際物理-化學參數(shù)數(shù)據(jù)。將二者通過統(tǒng)計分析建立定量關系函數(shù)模型，繼而預測具有類似官能團分子結構的新型化合物性質(zhì)參數(shù)，具有簡單、準確、高通量的特點。例如，辛醇-水分配系數(shù)（K_OW）和生物濃縮因子（BCF）與化合物分子官能團貢獻存在一次線性回歸函數(shù)關系。

環(huán)境行為的預測也可基于計算得到的物理-化學性質(zhì)參數(shù)進行展開。經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）發(fā)布的多環(huán)境介質(zhì)的逸度模型，利用大氣-水分配系數(shù)（K_AW）、辛醇-水分配系數(shù)（K_OW）、大氣/水體/土壤半衰期（T_1/2）參數(shù)對化合物的環(huán)境持久性（P_OV）、長距離傳輸潛力（LRTP）和遷移效率（TE）進行評估，取得了較好的模擬預測效果。水生生物毒性的預測亦是如此。美國國家環(huán)境保護局發(fā)布的?ECOSAR?預測模型通過大量的文獻和實驗毒性數(shù)據(jù)結果，定量描述了?130?種不同分子結構類型化合物的辛醇-水分配系數(shù)（K_OW）對魚、水蚤、綠藻式動物的半致死濃度計量值（LC₅₀）之間的函數(shù)關系。

通過將分子結構信息統(tǒng)一編碼，可對室內(nèi)灰塵樣本中可能存在的?1?487?種化合物的物理-化學參數(shù)及其與?POPs?特性的相關性進行快速計算和預測（圖?2）。在總體化合物數(shù)據(jù)庫中，具有生物富集能力、大氣穩(wěn)定性、可長距離傳輸?shù)幕衔锓謩e占?8.6%、9.0%?和?9.0%。同時具有環(huán)境持久性和生物富集能力的化合物有?35?種，其中?32?種為鹵代化合物。該結果對于減少研究對象的數(shù)目、集中力量開展具有潛在?POPs?特性疑似物的環(huán)境行為調(diào)研和毒性測試研究具有重要意義。

高分辨質(zhì)譜疑似目標/非目標分析方法

除了登記注冊的已知化學品，新型有機污染物還可能包括新合成且尚未登記的人工化學品，經(jīng)環(huán)境轉化反應生成的化合物（如大氣氧化反應二次生成的含羰基、硝基的多環(huán)芳烴類似物等），以及天然源化合物（如類雌激素、藻毒素等）。對于此類完全未知化合物的發(fā)現(xiàn)，更多的是總結污染物結構的共性特點，并通過儀器分析的方式展現(xiàn)。高分辨質(zhì)譜可精確測量帶電離子的荷質(zhì)比，進而分析元素組成、獲得化合物的分子式，在新型化學污染物結構解析過程中發(fā)揮著至關重要的作用。

高分辨質(zhì)譜疑似目標/非目標分析方法與傳統(tǒng)的目標分析方法存在顯著差別（圖?3）。目標分析必須依靠標準品獲得化合物質(zhì)譜信號，實現(xiàn)對目標化合物的確認。在新型污染物研究對象未知且標準品難以獲得等諸多情況下，該方法的應用存在一定局限性。不同的是，疑似目標/非目標分析方法不以特定目標物作為預設研究對象、無須依賴化合物標準品，而是針對整個環(huán)境樣本中包含的化合物信息數(shù)據(jù)進行較為全面的分析，因而在新型有機污染物發(fā)現(xiàn)的研究中應用更為廣泛。常見疑似目標/非目標分析方法的樣品準備過程較為簡單，多采用具有廣譜性的預處理和富集步驟。儀器分析主要采集樣品的總離子流圖并同步獲取高豐度離子的二級質(zhì)譜碎片信息。對獲取的色譜和質(zhì)譜數(shù)據(jù)進行深入挖掘是非目標分析方法的關鍵步驟，需要依據(jù)指定的實驗方案和感興趣的化合物類型靈活選取適當?shù)臄?shù)據(jù)篩選規(guī)則（如精確質(zhì)量數(shù)比對、同位素豐度篩選、色譜保留時間和質(zhì)譜二級碎片信息的數(shù)據(jù)庫匹配及逐步剔除等）。

例如，對于全氟或多氟取代化合物而言，其分子的特點是氟原子的精確質(zhì)量數(shù)與其正數(shù)質(zhì)量數(shù)非常接近，因而化合物分子整體的質(zhì)量缺陷值會集中在特定范圍之內(nèi)（Δm = ?0.150—0.100?Da），即可在質(zhì)譜信號上將全氟或多氟取代化合物與大量的碳氫化合物干擾信號區(qū)分開。借助上述特點，筆者課題組在我國污泥復雜基質(zhì)樣本上發(fā)現(xiàn)了?3?種氯代醚基磺酸（Cl-PFESAs）新型污染物；后續(xù)研究顯示，這?3?種污染物在我國環(huán)境介質(zhì)中的殘留濃度、生物富集能力、細胞毒性效應與最受關注的全氟取代污染物全氟辛基磺酸類似。

效應導向分析方法

效應導向分析（EDA）方法以生物學檢測為核心，配合樣品前處理、色譜分離和化合物表征流程，通過生物效應檢測和多步分離純化，最終實現(xiàn)主要效應污染物的濃度測定、結構鑒定和毒性確認。該方法能夠克服“從物質(zhì)到風險”評價方法生物效應陽性檢出效率低的缺點，是將分析化學與生物學檢測體系有機結合的分析手段，能夠為特定污染地區(qū)主要貢獻污染物的篩查及未知有毒組分的識別提供寶貴的基礎數(shù)據(jù)。

效應導向分析的方法學流程大概包括?4?個步驟（圖?4）。毒性測試流程。生物學篩查終點可選擇范圍廣泛，可包括生物個體測試，亦可包括細胞、菌株等體外毒性測試。選用的生物學篩查終點作為關鍵的“生物檢測器”，貫穿于方法的各個階段。組分提取流程。關鍵要求是盡可能地對樣本中的所有有機物進行無差別的廣泛提取。分離流程可根據(jù)目標化合物的極性、分子量和修飾基團等性質(zhì)多步分離，逐步獲得貢獻污染物。毒性貢獻污染物的鑒定流程。具有活性效應組分中的貢獻化合物需要結合核磁、質(zhì)譜、光譜等多種化學表征手段進行結構鑒定和定量分析。貢獻污染物的毒性確認流程。根據(jù)實際測定組分中的總體毒性，對組分中陽性檢出化合物濃度的毒性貢獻值進行量化回溯分析，在實際樣本中總體毒性貢獻占比大的檢出物即視為關鍵致毒物。

效應導向分析方法已經(jīng)在新型化合物篩選和未知有機污染物發(fā)現(xiàn)方面得到成功應用。例如，筆者課題組成功完成了某阻燃劑生產(chǎn)廠附近河流底泥中神經(jīng)毒性效應物的鑒定。樣品經(jīng)加速溶劑萃取提取和凝膠排阻色譜凈化后，通過硅膠固相萃取小柱粗分為?F1?和?F2?組分。以小鼠小腦顆粒神經(jīng)元細胞作為生物評價模型，發(fā)現(xiàn)?F2?組分具有顯著的神經(jīng)毒性。以反向制備色譜對其進行細分并每隔?1?min?收集餾分。結果顯示?F2.17?餾分為毒性組分。借助紫外檢測器和質(zhì)量檢測器對該組分進行分析，確定四溴雙酚?A?雙丙烯基醚為主要的效應污染物。

小結

綜上所述，通過近?10?年的探索，筆者課題組初步形成了發(fā)現(xiàn)新型有機污染物的分析方法框架；發(fā)現(xiàn)文獻上從未報道的氮雜環(huán)溴代阻燃劑、四溴雙酚類衍生物、全氟碘烷等新型環(huán)境污染物，共計?17?大類?161?種單體；并引領了若干新結構污染物在分析方法、演變趨勢、轉化規(guī)律、生物富集、毒性效應和健康風險方面的深入研究。然而，發(fā)展高效、普適的發(fā)現(xiàn)新型污染物的分析方法體系仍是未來環(huán)境化學研究的前沿科學問題，其中引導發(fā)現(xiàn)方法策略的持續(xù)創(chuàng)新是關鍵，這需要繼續(xù)深化化合物信息數(shù)據(jù)庫的構建、定向識別表征等技術思路的整合和拓展。

展望

隨著高分辨質(zhì)譜的普及，疑似目標/非目標分析方法的影響力將日益擴大。該方法在化合物分子結構確認、不依賴標準品的數(shù)據(jù)回溯解析和針對環(huán)境樣本信息的全面分析能力方面優(yōu)勢明顯。未來的污染物痕量分析技術在很大程度上會摒棄傳統(tǒng)的目標分析方法，而更強調(diào)疑似目標/非目標分析方法在大數(shù)據(jù)獲取及與其他學科（如基因組學、代謝組學、表觀遺傳學等）領域的關聯(lián)擴展。美國國立衛(wèi)生研究院聯(lián)合美國國家環(huán)境保護局正在開展的“Toxicology in the 21st Century”（Tox21）研究計劃，以及歐盟組織的新型環(huán)境物質(zhì)監(jiān)測參考實驗室、研究中心及相關組織網(wǎng)絡（NORMAN Network），均高度關注疑似目標/非目標分析方法體系的發(fā)展，及其在非常規(guī)、新型有機污染物的賦存、遷移和暴露風險表征方面的應用。我國同樣需要加大在化學品安全評估基礎研究和應用研究方面的支持力度。集國內(nèi)優(yōu)勢研究機構科研力量，發(fā)展具有?POPs?特性新型污染物識別的早期預警研究體系，充分發(fā)揮先進分析技術在優(yōu)先控制污染物篩選和管理、污染源排查、重大環(huán)境污染事件評估和應急處理方面的關鍵作用。

化學分析將與生物效應評估更加深度地融合。由于化學品的毒性效應特點差異顯著，不同物質(zhì)相互作用又會產(chǎn)生復合效應，開發(fā)快速、系統(tǒng)性方法以準確地鑒定出復雜基質(zhì)中的主要毒性效應組分是現(xiàn)代毒理學研究的重要方向。特別是近年來新型環(huán)境污染物激增，污染物交互作用更為復雜，現(xiàn)有的毒理學數(shù)據(jù)已經(jīng)遠不能滿足解決實際問題的需要。因而，如何快速、準確、低成本地對大量污染物及混合物進行毒性測試和健康風險評估就顯得尤為重要。其中，對自動化、高通量的化學分析與毒性效應評估流程的儀器平臺（ITA）研制，以及對其應用發(fā)展的持續(xù)投入，是實現(xiàn)上述目標的關鍵。

環(huán)境化學與健康科學研究的交叉創(chuàng)新將更加重要。生命科學研究的經(jīng)驗顯示，人的健康狀態(tài)或疾病結局由遺傳因素和環(huán)境因素共同決定。例如，北歐雙生子隊列研究結果發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素對腫瘤的貢獻率可達?80%，而遺傳因素僅占約?10%?！氨┞督M學”（exposome）的提出突出了對環(huán)境因素評價的關注。其概念包含從胚胎到生命終點的整個周期內(nèi)化學污染物在內(nèi)、外暴露過程的總記錄。其中，發(fā)展高效分析技術并尋找合適的暴露標志物，以便于借助暴露指紋探索復雜環(huán)境過程導致疾病發(fā)生的機制是有待環(huán)境化學領域專家攻克的技術難點。（作者: 阮挺、江桂斌，中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心；《中國科學院院刊》供稿）

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