摘要：化學品特別是高風險化學品污染所造成的環(huán)境與健康問題已經成為影響我國公眾健康的危險因素，以及人民對美好生活追求的重要阻礙。如何在確?；瘜W品為人類社會帶來福祉的同時，最大限度地降低其對環(huán)境與人群健康的危害，是化學領域特別是環(huán)境化學領域亟待解決的問題。文章系統(tǒng)總結了全氟化合物等化學品的風險識別、風險防范、替代品研發(fā)及評估等最新研究進展；探討了如何通過綠色化學手段，結合高風險化學品全生命周期的風險管控，實現從根源上降低環(huán)境風險；并論述了高風險化學品全生命周期的研究進展、發(fā)展方向和實施策略。

Strengthen Risk Management and Control of High-risk Chemicals, Promote Development of Environmentally Friendly Alternatives

WANG Yawei1 , LIANG Yong2, MA Donghui1,3, CAO Huiming2, ZHAO Lixia1, CAI Yaqi1, JIANG Guibin1     

Abstract: Environmental and health problems caused by chemical pollution, especially high-risk chemical pollution, have become an important factor affecting the public health. How to ensure that chemicals bring well-being to human society, while ensuring that they minimize their harm to the environment and human health, is a problem that needs to be solved urgently in the field of chemistry, especially environmental chemistry. This article summarizes the latest research progress in the risk identification, risk prevention, alternative research and development and evaluation of perfluorinated compounds and other substances, and systematically explores how to use green chemistry, combined with the risk management and control, to decrease the risk of the high-risk chemicals during their entire life cycle. The article also discusses the research progress, development direction, and future development of high-risk chemicals throughout the life cycle.

不計其數的化學品為人類社會帶來便利和福利的同時，也對社會和生態(tài)環(huán)境產生了危害和影響。最初，人們對化學品帶來的危害主要關注的是其在生產、加工、儲運和使用過程中產生的爆炸、急性毒性等職業(yè)安全問題，及大規(guī)模泄露導致的公共危害事件。隨著科技的進步和人們安全意識的提升，化學品的環(huán)境負荷及其持久性、生物累積性和潛在毒性風險備受關注。為應對有毒有害化學品的全球性環(huán)境問題，國際社會及各國政府制訂了一系列關于有毒有害化學品的國際公約和優(yōu)先性風險管理政策法規(guī)，以限制特定化學品的生產和使用。為了滿足工業(yè)發(fā)展的需求，被限制生產的化學品的相關替代品又被開發(fā)并廣泛使用。然而，在替代品開發(fā)方面存在新物質合成與毒性及其風險評價相脫離的問題，使得部分擬生產的替代品具有成為新環(huán)境污染物的隱患。“化學品污染→替代→再污染”成為當前環(huán)境化學領域巨大的挑戰(zhàn)。

何種化學結構既能實現確定的產品性能，又能做到環(huán)境劑量長期暴露和使用條件下低的健康風險，是環(huán)境化學亟待解答的關鍵科學問題。在這樣的挑戰(zhàn)下，化學品綠色開發(fā)的概念應運而生?；瘜W品綠色開發(fā)強調從化學品生產、堆存、運輸、使用、排放和處理處置全生命周期的風險分析、污染預警與削減，從而實現從根源上防治污染的發(fā)生。

1 化學品綠色開發(fā)與風險防范 1.1 化學品概況及其環(huán)境健康風險

化學品是指經過人工技術的提純、化學反應及混合過程生產出的、具有工業(yè)和商品特征的化學物質。由于其固有的物理、化學和生物反應活性（如燃燒性、化學穩(wěn)定性和殺蟲性等），化學品逐漸被廣泛應用于農業(yè)、工業(yè)和社會生活的各個領域，為人類社會帶來多種社會福利和經濟價值。目前，全世界市場現有化學品已達1.64億種以上，且每年至少有1 000萬種新開發(fā)化學品投入市場?；瘜W品已成為人類衣、食、住、行不可或缺的材料和商品，其生產和消費仍然在持續(xù)增長。

然而，化學品在滿足人類生產、生活需要的同時，也對社會和生態(tài)環(huán)境產生了影響和危害。自20世紀60年代開始，研究顯示在南極和北極地區(qū)存在滴滴涕（DDT）等人工合成有毒化學品污染，且此類化學品具有“持久性、生物累積性和潛在毒性風險”，可在自然環(huán)境中殘留長達數十年，并能通過食物鏈在動物和人體內實現長期累積和放大。隨著科研檢測水平的提高，越來越多的人工化學品，如農藥、塑料、洗滌劑、阻燃劑等有毒化學品被檢測到已進入環(huán)境，且能引起魚類、鳥類和哺乳類動物等生物的內分泌紊亂，影響生物甚至人類的生殖能力和發(fā)育。并且，這些物質在超痕量的劑量暴露時就可導致生物畸變，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康帶來嚴重危害。例如，被國內外環(huán)境科學家高度關注的典型污染物雙酚A（BPA），是一種高產量的化工產品，被廣泛添加在塑料和環(huán)氧樹脂制品中，普遍存在于空氣、水和土壤等多種環(huán)境介質，能夠通過飲用水、空氣粉塵吸入、皮膚接觸等方式進入人體從而造成嚴重的健康危害[1]。生物學實驗證明，BPA具有內分泌干擾毒性[2]，對生殖系統(tǒng)和動物的胚胎發(fā)育產生不利的影響，還會增加女性乳腺癌的患病可能[3]。流行病學調查分析表明，BPA的累積暴露與前列腺癌發(fā)病有著顯著性的正向相關。在動物模型研究中，也有報道指出BPA的暴露會導致小鼠精子數量和運動能力的降低[4]。另一類典型環(huán)境持久性污染物為全氟化合物（PFASs），它們是一類以烷基鏈為骨架，氫原子被氟原子部分或全部取代的有機化合物；具有表面張力小、黏度低、疏水、疏油的特性，被廣泛應用于化工、消防、建筑、機械和航天等領域。但是，PFASs分子中的高能C-F鍵使其性質穩(wěn)定，難以被水解、光解及生物降解，因此會在環(huán)境中持久存在。在全球范圍內不同環(huán)境介質中，PFASs被廣泛檢出；尤其是海域、地球“三極”等偏遠地區(qū)的廣泛檢出，表明其已成為全球性污染物，并引發(fā)了多種環(huán)境問題[5]。其中，典型的化合物為全氟辛基磺酸（PFOS），可在不同生物體甚至人體內檢出；其半衰期長、難代謝，具有生物放大效應，在食物鏈中的濃度可隨生物營養(yǎng)級的增加而顯著增長等特性[6]。此外，毒理學研究表明，PFASs可引起一系列毒性效應結局，如肝臟毒性、生殖發(fā)育毒性、神經毒性和免疫毒性等，同時與人體健康問題也存在一定關聯(lián)[7, 8]。這些物質對人類和生態(tài)的暴露風險具有長期性、隱蔽性和滯后性的特征，已構成全社會的公共健康風險和環(huán)境安全危機。因此，強化化學品環(huán)境管理，從源頭降低化學品對生態(tài)和健康的風險尤為重要。

1.2 化學品管控與替代品隱患

有毒有害化學品是具有重要影響的全球性環(huán)境問題，對其管控已成為國際社會的共識和挑戰(zhàn)。各國政府制訂了一系列關于有毒有害化學品物質的國際公約和優(yōu)先性風險管理政策法規(guī)。歐盟于2011年頒布了禁止在嬰幼兒奶瓶中添加BPA的相關法律條文；其成員國也嚴格限制了BPA的應用范圍，陸續(xù)禁止了BPA在多種食品包裝材料中的使用[9]。2000年，全球最大的PFASs生產商3M公司協(xié)同美國國家環(huán)境保護局（EPA）停止對PFOS及其鹽類和相關化合物的生產。2009年，《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》）正式將PFOS及其鹽類列為新的持久性有機污染物，同意減少并最終禁止使用該類物質[10]。2016年，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）規(guī)定不再將3種含有PFOS及其類似物的產品用作食品可接觸材料。

為了避免因一些化學品，如BPA、PFOS等被禁用所帶來的使用限制，多種相關替代品被開發(fā)，并廣泛地使用在多個工業(yè)領域。然而，這些替代品非但沒有解決BPA、PFOS等帶來的環(huán)境問題，反而引發(fā)了新的甚至更嚴重的環(huán)境問題：①替代品在環(huán)境介質甚至生物體內的賦存水平呈現迅猛的上升趨勢；②由于替代品與被禁用的母體化合物有著相似的結構，往往保留著類似的毒性效應。

目前，BPA替代物作為不同用途的添加品，在多種環(huán)境介質中被廣泛檢出。尤其是在室內灰塵、底泥、河流、土壤中的濃度水平與BPA類似甚至更高[11, 12]。大部分替代物與BPA相比，有著相似的物理化學性質。例如，酚類結構所具有的水溶性，使其易進入環(huán)境水體，造成新的環(huán)境污染和危害。與此同時，PFOS的替代產品更多。據不完全統(tǒng)計，截至2018年底，瑞典化學品管理局推測市場上存在PFASs產品已超過3 000種。8碳氟調聚磺酸（6:2 FTSA）可替代PFOS作為泡沫滅火劑的添加劑。而國外3M、Asahi、Solvay等國際氟化工生產商提交了50余種PFOS潛在的替代品。但是，多數PFOS替代物仍保留類似PFOS的毒性效應特征，并在多種環(huán)境介質中被檢測出[13, 14]。

2 我國化學品生產國情與綠色化學 2.1 過度管控弊大于利

面對與日俱增的化學品合成數量及其嚴峻的環(huán)境危害與健康風險，為了規(guī)避開發(fā)與母體結構類似的替代品所帶來的“化學品污染→替代→再污染”的環(huán)境問題，西方國家逐漸加大化學品管控力度，甚至提出“一刀切”地將PFASs作為一類物質進行管控[15]。然而，我們認為這是矯枉過正的舉動，尤其是對于中國這樣的發(fā)展中工業(yè)大國，若對PFASs施行“一刀切”的管控措施，以求一勞永逸地降低環(huán)境風險，付出的代價是不可估量的。①我們不得不承認，某些化學品具備的優(yōu)良性能決定了其在很多領域的無可替代性。PFASs中C-F鍵特殊的化學惰性、疏水疏油性及表面活性決定了其產品的性能優(yōu)勢。如果將PFASs這一類化學品“一刀切”地進行管控，用不含C-F鍵的化學品作為替代，則產品性能會大打折扣，甚至在某些應用領域無法發(fā)揮作用。②化學品的生產鏈是連續(xù)的，下游產業(yè)受到摧毀將間接影響上游應用。例如，PFASs末端原料的生產正受到《斯德哥爾摩公約》的監(jiān)管，全面限制這類原料的生產將大幅度推高其原料成本甚至造成斷供。③中國應立足于自身發(fā)展的實際情況制定管控實施方案，而不是照搬西方的化學品管理模式。西方發(fā)達國家因其工業(yè)革命的先發(fā)優(yōu)勢，已經在替代品和替代技術方面壟斷了大量的市場和專利，而將大部分高耗能、高污染等化工實體產業(yè)轉移至像中國這樣的發(fā)展中國家。

2.2 綠色化學的提出和思路

目前，我國化學品的管控陷入“不可忍、不可棄”的兩難境地。與日俱增的化學品數量、低劑量長期暴露，以及化學物質的混合毒性作用，給化學品環(huán)境風險研究方法學提出了更高要求，帶來更大的挑戰(zhàn)。何種化學結構既能保障產品性能，又能做到環(huán)境劑量長期暴露和使用條件下的低健康風險，是環(huán)境化學亟待解答的關鍵科學問題。依賴現有的環(huán)境化學理論與方法，無法完全實現對現存化學品乃至優(yōu)先控制工業(yè)試劑的環(huán)境風險評估。這一困境在替代產品的研發(fā)和推出中更為突出。然而，解決這一難題需通盤考慮化學品的生產、堆存、運輸、使用、排放的方方面面，開發(fā)化學品全生命周期風險源識別和分類排序、污染預警與削減的關鍵方法、技術，進而整合出適用于我國國情的管理體系規(guī)范及框架。同時，綠色化學采用新方法、新技術來減少危害人類健康及生態(tài)環(huán)境的化學產品的生產和使用，開發(fā)更友好、生產過程更符合綠色環(huán)保要求的化學產品。從最初的原料、試劑、催化劑、溶劑到最終的產物及副產物上著手，這不同于污染后再治理的思路，而是通過把握好化學生產的第一道關卡，實現從根源上防治污染的發(fā)生。降低替代品的毒性與生物累積性、優(yōu)化產品收率、消除廢棄物和減少生產過程中的能源消耗，主要包括新合成方法和路線、新的化學原料篩選、新的反應條件優(yōu)化，以及綠色產品研制與開發(fā)。

可見，綠色發(fā)展中所涉及的化學問題不僅僅是涉及環(huán)境化學、有機化學等化學學科需要解答的科學難題，還將推動物理學、材料科學、地學、環(huán)境毒理學、分子生物學、信息學等相關學科的進步與發(fā)展。綠色化學已成為當今國際化學科學研究的前沿，是具有明確的社會需求和科學目標的新興交叉學科。綠色化學的思路是合理利用資源和能源以降低生產成本，并基于經濟可持續(xù)發(fā)展的指導原則，達到從源頭上消除污染的目的。其將傳統(tǒng)的化學學科與資源環(huán)境的協(xié)同發(fā)展聯(lián)系起來，更加強調化學的生態(tài)價值要求與實踐。

3 化學品管控與綠色開發(fā)策略

系統(tǒng)地開發(fā)新型替代品，發(fā)揮產學研結合、多學科攻關的優(yōu)勢，是我國現階段迫切的需求。這不僅是我國履行《斯德哥爾摩公約》的重大需求，也是《中華人民共和國履行〈關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約〉國家實施計劃》所提出的重要任務。發(fā)展替代品和替代技術，不僅要考慮經濟可行性和使用功效，還要考慮到環(huán)境可接受性，以及對生產者、使用者和消費者的安全性。加大對替代品和替代技術的支持，將為我國調整產業(yè)結構、促進清潔生產、發(fā)展循環(huán)經濟和建設環(huán)境友好型社會提供又一新的契機。

因此，在充分認識已有化學品風險的基礎之上，從生產源頭開始管控其風險，同時關注和減少在使用、廢棄過程中的潛在風險，將實現對此類化合物整個生命周期風險的削減與控制。只有將風險意識和生命周期管理結合起來，才能有效實現對高風險化學品的管理。這不僅是保障生態(tài)安全和人群健康的關鍵環(huán)節(jié)，也是突破發(fā)達國家綠色貿易壁壘和發(fā)展經濟的重大國家需求。環(huán)境與綠色發(fā)展中的化學基礎科學問題包括化學污染物識別、污染削減與修復、化學污染源頭控制、毒性效應評價、環(huán)境與健康、發(fā)展循環(huán)經濟等一系列物理、化學、化工、數學、信息學、材料、生物、醫(yī)學等多學科的前沿交叉。在此提出4條高風險化學品管控與綠色開發(fā)策略。

（1）污染快速識別、診斷與生態(tài)/環(huán)境風險預警。針對污染物快速識別與風險預警，需要開發(fā)環(huán)境中污染物的高通量、快速識別及源解析技術，綠色污染控制技術及固廢循環(huán)利用技術，高風險化學品的全生命周期環(huán)境風險分析及環(huán)境友好替代品的篩查技術，發(fā)展基于前人經驗大數據的化學設計、制備、使用和環(huán)境安全評價及信息的分布式存儲、識別和加密使用技術，以及基于結構依賴、組學和生物學通路的化學品預測毒理學技術等。通過識別典型環(huán)境污染關鍵毒性成分，解析其環(huán)境轉化機制，建立其來源甄別和人群暴露評估方法；尋找并利用各類生物標志物，闡明污染物對關鍵信號通路的擾動作用，詮釋區(qū)域關鍵污染物的毒性效應機制；揭示區(qū)域污染可能誘發(fā)的機體損傷作用機理，提出科學的減排、治理和健康風險阻斷合理化建議，并提供技術支撐。

（2）化學品全生命周期分析及風險評估。在宏觀機制上，開展污染物的全球長距離跨境遷移研究；在污染物的環(huán)境微界面行為研究方面，發(fā)展環(huán)境微界面原位表征關鍵技術，實現對微界面結構形貌、自由基鏈反應及其中間體瞬態(tài)的連續(xù)觀測，解析典型污染物在不同界面過程的微觀分配行為及分子機制，明確影響污染物在多環(huán)境介質中持留的關鍵物理化學因子；在多環(huán)境介質中污染物的環(huán)境轉化機制方面，開展污染物在不同介質中的生物轉化、微生物轉化、光化學轉化、金屬甲基化、價態(tài)轉化等分子轉化機制，明確污染物全生命周期過程中的遷移轉化機制及最終的歸趨。研究化學品在生產、使用場景及其最終進入環(huán)境等全生命周期過程中在不同介質的分配行為與規(guī)律，以及適合不同學科確信度需求的風險源識別和分類排序方法。在化學品生產、使用、處置等整個生命周期對其風險進行管控。同時，從政府管理層面應對化學品的風險管理給予充分重視，需要借鑒發(fā)達國家在管控方面的成熟、完善的法律法規(guī)政策，建立一套適合我國國情的整體性風險評估方案。

（3）基于人工智能和大數據分析的綠色化學品的開發(fā)。面對日益嚴峻的替代生物測試挑戰(zhàn)，需要發(fā)展高通量體外毒性測試技術和預測及轉化毒理學方法，重點解決測試流程和分析方法的標準化、體外測試結果向活體毒性終點的轉化、聯(lián)合多組學技術的系統(tǒng)毒理學評價、組學復合污染評價等關鍵技術。結合人工智能和自動化技術，開發(fā)大規(guī)?；瘜W品的毒性測試和優(yōu)先化篩選體系，進一步推動化學品管理和風險防控。結合領域云、區(qū)塊鏈，以及深度學習等人工智能技術，有望給污染防控與風險預警帶來顛覆性的技術發(fā)展和理論升級。此外，基于人工智能的深度學習系統(tǒng)可從一個化合物的結構設計開始，提出綠色化學合成的方案，以及理論評估得到的替代產品所具有的環(huán)境持久性、毒性靶點與毒性效應及其健康危害風險。從源頭減少對環(huán)境和生物體具有潛在危害的替代品的合成、生產和排放，為環(huán)境友好型替代品的安全設計提供虛擬篩查。

（4）加快加強化學品環(huán)境管理立法體系建設。目前，我國已經是全球化學品生產和消費的大國。國際上對化學品的管理思路及立法已經逐步從危害管理過渡到風險管理，但我國還是有害性的化學品管理模式。雖然從立法和管理層面上我們已經有《危害化學品安全管理條例》和《新化學物質環(huán)境管理登記辦法》，但這遠遠不能滿足對化學品環(huán)境管理的現實需求。建議從國家層面上完善基于風險管理的化學品立法，填補法制空白；加強化學品風險評估基礎研究及體系建設，積極推進我國有關環(huán)境污染物的分析實驗室及環(huán)境領域“優(yōu)良實驗室規(guī)范”（Good Laboratory Practice，GLP）實驗室的建設和認證工作；建立風險管控協(xié)調機制，加強部門之間的溝通合作；促進企業(yè)的主動參與及自主管理，建立化學品污染責任保險制度；加強化學品管理及環(huán)境風險評估的信息公開，提高公眾環(huán)境管理意識，實現全民參與的化學品管理體系建設，以最終降低化學品帶來的環(huán)境損害和人群健康風險。

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