中國網／中國發展門戶網訊   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、鹽類等在內的化學品達到?1?億種；短短?4?年后的?2019?年，該數字增加為?1.5?億種，平均每年新增化學品超過?1?200?萬種。?2013?年發布的《中國現有化學物質名錄》，收錄的化學物質已超過?4.5?萬種。

上述化學品經工業生產和生活使用后，不可避免地進入環境中而產生更為復雜的化學、生態和健康效應。實際上，近代工業污染催生了環境化學的發展。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）的出版再次引發了人們對環境內分泌干擾物健康影響的關注。環境保護研究經歷了從常規大氣污染物（如二氧化硫、粉塵等）、常規水體污染物（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?月起包括中國在內的?179?個國家和地區簽署并加入《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、滴滴涕在內的?12?種典型?POPs?物質實施禁止或限定使用。從締約國的數量上不僅能看出公約的國際影響力，更體現了世界各國對?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、環境行為、生態風險和環境健康的研究越來越成為環境科學研究的熱點。對研究對象的認識和理解也從對具有顯著生態效應的經典?POPs?的確定和同族物的追蹤，深入到對具有類似?POPs?物質特性的新型有機污染物的聚焦。特別是典型?POPs?物質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?類物質的特征（環境持久性、長距離傳輸性、生物富集性、毒性），是目前正在大量生產使用的化合物，環境存量較高，以及生態風險和健康風險的數據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整和完善提出了新的挑戰。

新型有機污染物環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還包括全氟己基磺酸及其鹽和相關物質、得克隆和甲氧氯。這些新型有機污染物在我國均有一定規模的生產、使用或排放。

我國新型?POPs?污染具有獨特性。化學工業是我國的支柱產業之一。統計數據顯示，2010?年起我國化學工業產值躍居世界首位，超過國內生產總值（GDP）的?10%。作為化工產品大國，新型?POPs?在我國所引起的環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境介質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管的產業經濟成本；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；并為化學品替代技術的發展提供有效建議。另外，伴隨著經濟快速發展，產生污染導致的健康問題在我國的集中顯現，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。

發現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境下的賦存行為、遷移規律、累積機理、毒性機制及健康危害和消減控制技術。根據我國的化學工業結構、地球化學特征、使用和排放差異等因素和特點，發現在我國環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，經過充分的準備，環境化學與生態毒理學國家重點實驗室正式提出在我國環境介質中篩選和發現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的環境影響能力、明確污染物的環境行為特征。綜合而言，只有當市售化工產品滿足以下?3?個要求時才可能對自然環境和生物產生重要影響?：該化合物的物理-化學性質必須滿足一項或多項?POPs?類物質的特性（環境持久性、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量和使用量。例如，3?000?t?揮發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。一般將年產量大于?454?t?的物質稱為高生產量物質，這些物質需受到關注。該化合物需具有特定的使用和環境釋放途徑。例如，添加型溴代阻燃劑——多溴二苯醚在塑料制件中的使用、含氟表面活性劑產品中全氟烷基化合物的殘留均可引發潛在的環境問題。

在上述?3?個條件中，對化合物環境化學行為影響最大的因素是該化合物的物理-化學參數。聯合國環境規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（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。

引導發現策略的分析方法框架

分析方法的研究是發現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，研究對象是復雜環境介質整體，所覆蓋組分的復雜程度決定了多樣化引導發現方法策略的重要性。集合樣品前處理、儀器分析和數據挖掘的體系創新，對定量結構—效應關系模型、高分辨質譜疑似目標/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”、實現新型污染物發現“必然性”的可靠保證（圖?1）。

定量結構—性質關系模型方法

定量結構—性質關系（QSPR）方法的基本假設是化合物分子結構決定了物理-化學參數的變化；而物理-化學參數與實際環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-化學參數的集合，即可實現對具有潛在?POPs?特性污染物的識別和篩選。

物理-化學參數的預測是化學計量學研究的經典分支。方法的建立需要一系列分子的結構編碼信息，以及各物質通過實驗得到的實際物理-化學參數數據。將二者通過統計分析建立定量關系函數模型，繼而預測具有類似官能團分子結構的新型化合物性質參數，具有簡單、準確、高通量的特點。例如，辛醇-水分配系數（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關系。

環境行為的預測也可基于計算得到的物理-化學性質參數進行展開。經濟合作與發展組織（OECD）發布的多環境介質的逸度模型，利用大氣-水分配系數（K_AW）、辛醇-水分配系數（K_OW）、大氣/水體/土壤半衰期（T_1/2）參數對化合物的環境持久性（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。美國國家環境保護局發布的?ECOSAR?預測模型通過大量的文獻和實驗毒性數據結果，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（K_OW）對魚、水蚤、綠藻式動物的半致死濃度計量值（LC₅₀）之間的函數關系。

通過將分子結構信息統一編碼，可對室內灰塵樣本中可能存在的?1?487?種化合物的物理-化學參數及其與?POPs?特性的相關性進行快速計算和預測（圖?2）。在總體化合物數據庫中，具有生物富集能力、大氣穩定性、可長距離傳輸的化合物分別占?8.6%、9.0%?和?9.0%。同時具有環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目、集中力量開展具有潛在?POPs?特性疑似物的環境行為調研和毒性測試研究具有重要意義。

高分辨質譜疑似目標/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，經環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現，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。高分辨質譜可精確測量帶電離子的荷質比，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揮著至關重要的作用。

高分辨質譜疑似目標/非目標分析方法與傳統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譜信號，實現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，而是針對整個環境樣本中包含的化合物信息數據進行較為全面的分析，因而在新型有機污染物發現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譜碎片信息。對獲取的色譜和質譜數據進行深入挖掘是非目標分析方法的關鍵步驟，需要依據指定的實驗方案和感興趣的化合物類型靈活選取適當的數據篩選規則（如精確質量數比對、同位素豐度篩選、色譜保留時間和質譜二級碎片信息的數據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量數與其正數質量數非常接近，因而化合物分子整體的質量缺陷值會集中在特定范圍之內（Δm = ?0.150—0.100?Da），即可在質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分開。借助上述特點，筆者課題組在我國污泥復雜基質樣本上發現了?3?種氯代醚基磺酸（Cl-PFESAs）新型污染物；后續研究顯示，這?3?種污染物在我國環境介質中的殘留濃度、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據。

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。分離流程可根據目標化合物的極性、分子量和修飾基團等性質多步分離，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在新型化合物篩選和未知有機污染物發現方面得到成功應用。例如，筆者課題組成功完成了某阻燃劑生產廠附近河流底泥中神經毒性效應物的鑒定。樣品經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元細胞作為生物評價模型，發現?F2?組分具有顯著的神經毒性。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現新型有機污染物的分析方法框架；發現文獻上從未報道的氮雜環溴代阻燃劑、四溴雙酚類衍生物、全氟碘烷等新型環境污染物，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、轉化規律、生物富集、毒性效應和健康風險方面的深入研究。然而，發展高效、普適的發現新型污染物的分析方法體系仍是未來環境化學研究的前沿科學問題，其中引導發現方法策略的持續創新是關鍵，這需要繼續深化化合物信息數據庫的構建、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、不依賴標準品的數據回溯解析和針對環境樣本信息的全面分析能力方面優勢明顯。未來的污染物痕量分析技術在很大程度上會摒棄傳統的目標分析方法，而更強調疑似目標/非目標分析方法在大數據獲取及與其他學科（如基因組學、代謝組學、表觀遺傳學等）領域的關聯擴展。美國國立衛生研究院聯合美國國家環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境物質監測參考實驗室、研究中心及相關組織網絡（NORMAN Network），均高度關注疑似目標/非目標分析方法體系的發展，及其在非常規、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。集國內優勢研究機構科研力量，發展具有?POPs?特性新型污染物識別的早期預警研究體系，充分發揮先進分析技術在優先控制污染物篩選和管理、污染源排查、重大環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，不同物質相互作用又會產生復合效應，開發快速、系統性方法以準確地鑒定出復雜基質中的主要毒性效應組分是現代毒理學研究的重要方向。特別是近年來新型環境污染物激增，污染物交互作用更為復雜，現有的毒理學數據已經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，以及對其應用發展的持續投入，是實現上述目標的關鍵。

環境化學與健康科學研究的交叉創新將更加重要。生命科學研究的經驗顯示，人的健康狀態或疾病結局由遺傳因素和環境因素共同決定。例如，北歐雙生子隊列研究結果發現環境因素對腫瘤的貢獻率可達?80%，而遺傳因素僅占約?10%。“暴露組學”（exposome）的提出突出了對環境因素評價的關注。其概念包含從胚胎到生命終點的整個周期內化學污染物在內、外暴露過程的總記錄。其中，發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境過程導致疾病發生的機制是有待環境化學領域專家攻克的技術難點。（作者: 阮挺、江桂斌，中國科學院生態環境研究中心；《中國科學院院刊》供稿）

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