江西青年发文Nature揭示化学品在大气转化中的全球性环境风险,审稿人评价具有里程碑意义,...

他叫刘启帆,江西吉安人,生于 1990 年。目前在加拿大多伦多大学做博士后,即将回国加盟中国科学技术大学环境科学与工程系。

(来源:资料图)

顺利拿到教职的同时,又在近期发表了一篇 Nature正刊论文。审稿人予以高度评价:“这是一项令人振奋、极具创新性、且可能对环境化学研究和化学品管控政策产生深远影响的工作,是一篇具有里程碑意义的论文。”“其深远意义在于揭示了现有化学品风险评估体系的一个主要缺陷并为之提供了解决方案。将在化学品管控和风险评估领域引起广泛关注和讨论。”2021 年 12 月 15 日,相关论文以《揭示化学品在大气转化中的全球性环境风险》(Uncovering global-scale risks from commercial chemicals in air)为题发表在 Nature 上[1]。

图 | 相关论文(来源:Nature

在大气环境化学领域开启新 “议题”,并给标准物找到“身份证”

随着经济的快速发展,新兴化学品不断涌入市场并排放到环境中,对全球生态系统和人体健康构成潜在危害。
鉴于此,国际社会已采取一系列化学品管控措施来控制环境污染物,比如已有 152 个国家签署的《斯德哥尔摩公约》、美国的《有毒物质控制法案》以及欧盟的《化学品注册、评估、许可和限制》法规等。
需要指出的是,上述化学品管控政策是基于持久性有机污染物和高关注物质本身的理化性质、以及毒理学特性制订的,忽视了其大气转化产物对环境健康的影响。
理论上,随着化学品排入大气,它们会经过光化学反应并逐步转化为氧化产物。但从实际应用来看,大气转化过程并未纳入到现有的化学品监测网络和政策制订中。
究其原因,是由于在异常复杂的实际环境样品中,指认大气转化产物是极为艰巨的挑战[2]。大气转化过程相关信息的缺失,也引出一个极为重要、且对各国化学品管控政策的制订具有深远影响的科学问题:化学品的大气转化是否会加剧其环境健康危害?
针对这一问题,刘启帆使用大气化学、环境分析化学和环境风险评估三个领域的先进技术手段,把实验研究、外场观测和模式模拟相耦合,开发出一套全新的涵盖大气转化过程的化学品环境风险评估体系(下图),成功应用于新兴污染物有机磷酸酯阻燃剂的风险评估中。

图 | 在考虑大气转化过程基础上开发的新的化学品风险评估体系,该研究范式具有普适性(来源:Nature

研究中,他在包括我国北京在内的全球 18 个大城市的大气中,检测到多个有机磷酸酯阻燃剂的大气转化产物,并证实这些转化产物比前体物具有更强的环境持久性和毒性,揭示了现有化学品管控政策的局限性。

图 | 在全球五大洲 18 大城市的空气中检测到 10 个有机磷酸酯阻燃剂的大气转化产物,证明有机磷酸酯阻燃剂大气转化的普遍存在(来源:Nature

图 | 大多数有机磷酸酯阻燃剂的大气转化产物比前体物具有更强的环境持久性和毒性(来源:Nature

该论文在大气环境化学领域开启了一个新 “议题”:即是否要把化学品的大气转化纳入到环境风险评价体系中来,进而促进管控政策的优化升级。
简单来说,物质 A 在环境中通过大气化学反应会生成 B、C、D 等一系列产物。如果只考虑 A 的环境健康危害,而不考虑 B、C、D 的影响,那么 A 的环境风险可能会被严重低估。
刘启帆指出:“这是学术思想上的创新,因为该议题不只涉及某一类新兴污染物,而是所有新兴污染物;不是一个点的局部问题,而是一个面的系统性问题。”
那么,在异常复杂的实际环境样品中指认大气转化产物到底难在哪里?原因在于,大部分大气转化产物都没有标准物,也就是能从市场上买到的纯物质。
标准物对环境分析有多重要?举例来说,我们出门旅行会随身带身份证,只有它能证明我们的身份即证明“我就是我”。

对于环境有机污染物来说,标准物就好比它们的“身份证”。有了标准物,就能从复杂的环境样品比如 PM2.5 中知道“它就是它”,从而准确识别污染物。
随着高分辨质谱技术的发展,人们对环境样品的分析逐步从靶向分析即基于标准物进行分析,转向更为先进的非靶向分析,即在没有标准物的情况下进行分析。
但是,环境化学领域泰斗、美国印第安纳大学化学系教授罗纳德·海特斯(Ronald Hites)指出,非靶向质谱分析技术面临的“卡脖子”问题之一是,对于环境中检测到的未知污染物,难以判明其结构及其来源[3]。
具体问题如下:其一,即使在分析仪器上 “看到”未知污染物,但是由于标准物也就是“身份证”的缺失,难以确定污染物的分子结构;其二,由于化学反应机制的缺位,不清楚未知污染物从而何来。简而言之,知其然而不知其所以然。
而在该研究中,刘启帆结合大气化学、环境分析化学和环境风险评估三方面的先进技术手段,突破了上述瓶颈。
核心突破在于,借助大气化学反应装置,他在实验室模拟了真实大气环境中发生的化学反应过程。借此人为“制造”污染物的大气转化产物的标准物,部分解决了“身份证”缺失的问题。
并且,结合实验室研究和实际环境样品分析,即可推测部分未知污染物的来源,即能够知道物质 B、C、D 是从物质 A 转化而来。
刘启帆表示:“这套分析方法具有普适性,适用于任何一种有机污染物,这是研究方法学上的创新。”

星巴克咖啡馆催生科研灵感

刘启帆回忆称,该工作历经想法产生、寻找合作、实验和数据分析、论文写作几个过程。
最关键的一步是想法产生,这源于不同学科的交叉碰撞。两年前,他在加拿大多伦多的星巴克咖啡厅和一位从事环境化学研究的同行、此次论文的共同第一作者、现任美国内华达大学里诺分校助理教授李力讨论时,对方告诉刘启帆在化学品风险评估领域,完全没有考虑大气转化过程的影响。受此启发,刘启帆觉得化学品的大气转化是一个值得深思的命题。
想法产生后,刘启帆所在的加拿大环境与气候变化部的专家约翰·利吉奥(John Liggio)团队,迅速和加拿大环境部的另一位专家汤姆·哈纳(Tom Harner)的团队,以及李力的团队开展三方合作。
其中,刘启帆所在团队负责实验室研究;哈纳团队把他们在全球 18 个大城市采集的环境样品的原始数据,提供给刘启帆做深度分析;李力团队主攻模式模拟。
数据分析是比较困难的一步,在复杂的实际环境样品中指认大气转化产物是一件前人鲜有尝试的工作,这导致他们在数据分析上“无迹可寻”“无文献可依”。正因此,也倒逼着合作团队开发出一套全新的研究方法,进而突破了该领域的技术瓶颈。
刘启帆还表示:“论文写作也很困难,从初稿到接收改了 20 个版本。这个过程让我受益匪浅,学会如何才能讲好一个故事。”

应用价值:为环境政策的制订提供科学依据

作为一名环境科学工作者,刘启帆认为该研究的应用价值在于,给环境政策的制订提供科学依据。
例如,氟利昂(主要成分是氯氟烃; CFCs)原本被认为是对环境无害的,但是墨西哥化学家马里奥·莫利纳(Mario J. Molina)和美国化学家 F.舍伍德 ·罗兰(F. Sherwood Rowland)两位学者在 1974 年发表 Nature 论文指出,CFCs 进入大气后,其大气转化产物会催化分解臭氧。
据此,他们提出了 CFCs 破坏大气臭氧层的假说。基于他们的科学假说以及之后在南极上空观察到的臭氧层空洞实测证据,13 年后的 1987 年,用于管控 CFC 的《蒙特利尔议定书》正式签署。21 年后的 1995 年,他们获得了诺贝尔化学奖。
从 CFC 的例子可以看出,从学术走向政策这个过程不是一蹴而就的,需要耗费十几年乃至更长的时间,是环境工作者和全社会共同努力的结果。
回到本次研究,刘启帆指出,如果不考虑化学品的大气转化过程,原本“相对无害”的化学品排放进入大气后,可能会引发一些“意想不到”的负面后果。
而该工作对《斯德哥尔摩公约》和各国化学品管控政策的优化可能产生潜在的正面影响,为这些环境政策的升级提供科学依据。
此外,刘启帆补充称:“这篇 Nature论文以有机磷酸酯阻燃剂这一类物质为例阐明大气转化对化学品风险评估的重要性。这只是一个起点,以此为基础,我们计划应用本次新开发的风险评估体系,对一些具有环境和健康危害的化学品比如双酚 A(一种已知的内分泌干扰素)开展系统性研究。”
据悉,刘启帆于 2011 年本科毕业于湖北大学,2016 年博士毕业于中国科学院化学研究所。之后入选加拿大自然科学与工程研究委员会的 Visiting Fellow,在加拿大环境与气候变化部做博士后,这篇 Nature论文正是他在加拿大环境部期间的代表性成果。

破除知识壁垒,构建多学科思维方式

在多伦多大学,刘启帆聚焦于室内空气污染的研究,这是大气化学领域的新兴前沿方向。传统的大气化学研究主要聚焦于室外空气污染,但是,人大部分时间都处于室内环境中,从保护人体健康的角度考虑,室内空气质量对人体健康的影响不可忽视。
他举例称:“我们最近在 PNAS 上发表了一项有意思的工作,发现液晶显示器会释放挥发性有机物,对室内空气造成潜在的影响。[4]”
前面提到,受益于大气化学和化学品风险评估这两个学科之间的交叉碰撞,他才有了原创想法。在和来自不同领域的科研工作者交流过程中,刘启帆有一个很强烈的感触,发现不同学科之间存在着知识的壁垒,这些壁垒的存在给学术的发展以及我们认识自然造成了一定的障碍。
以他比较熟悉的化学品大气转化为例,在自然界中,这个转化过程发生的时候同时涉及物理过程、化学过程,还可能引起生态和健康效应的变化,某一单一领域可以把其中某一个阶段发生的故事讲清楚。
但是从全局看,单一领域很难 Hold 住这个宏观的体系。在这种情况下,我们需要破除知识的壁垒,构建多学科的思维方式来应对新的科学挑战。
-End-
1、Liu, Q., Li, L., Zhang, X. et al. Uncovering global-scale risks from commercial chemicals in air. Nature 600, 456–461 (2021). 网页链接
2、Escher et al.,Science, 2020, 367, 388
3、Hites et al., Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 11975
4、Liu et al., PNAS, 2021, 118, e2105067118

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全部评论

买大雷01-27 12:53

你能去故事会发表一个也行

鹅城王麻子01-27 11:15

然后西方国家将出台“化工品大气排放限制税”,你发展中国家只能排一点,多了我制裁你。

老农股东01-27 08:48

二比一个

剑走-偏锋01-27 08:48

看不懂写的啥,但能发一篇论文到“Nature”,在学术界,下半辈子不愁了。

白曰梦想01-27 08:04

一个跟老舍一样,读书读成白痴的