针对海上石油平台排放化学物质的持续定向测试与非目标分析方法的结合应用

《Environmental Science & Technology》：Persistence-Directed Testing of Chemicals Discharged from Offshore Oil Platforms Combined with Nontargeted Analysis

本研究提出“持久性导向检测”方法，结合生物降解测试与非靶向分析技术（GC-MS和LC-HRMS），评估北海油田采出水中的持久性化学物质。结果显示，GC-MS检测到4%的持久物质，LC-HRMS高达32-44%，部分鉴定为含氮芳香环结构，如N-甲基喹啉。该方法有效识别复杂混合物中的持久性污染物，强调需优化采出水处理以实现海洋零持久性排放。

　　海洋是地球生命赖以生存的重要生态系统，它不仅为人类提供大量的氧气，还是全球许多地区赖以生存的海产品来源。然而，随着人类活动的增加，海洋正面临着日益严重的压力，其中化学污染是主要的威胁之一。化学污染来源于多种途径，包括商业海洋活动、工业资源开采、废水处理不足、农田径流以及工业排放。特别是来自海上石油和天然气开采的产物水，作为一种高体积的工业排放物，其复杂的化学组成使得污染物的检测和评估变得尤为困难。产物水不仅包含生产过程中使用的化学物质，还可能含有石油衍生残留物、地层水中的其他化学物质以及再注入的水。每年有超过2.4亿立方米的产物水被排放到北海和挪威海，其中包括3400吨分散的石油和16万吨化学物质（数据来自2020年至2022年）。这些排放中，一些化学物质可能在短时间内降解，因此仅对排放点附近的环境造成局部影响；然而，持续排放的持久性化学物质则可能随着时间的推移在环境中积累，从而增加对野生动植物及人类健康的风险。一旦这些持久性化学物质进入环境，其去除和逆转风险的过程将极为困难。因此，为了减少化学污染并改善海洋健康，社会应努力实现向海洋排放零持久性化学物质的目标。

目前，产物水排放到北海的监管主要依据OSPAR公约（保护东北大西洋海洋环境的公约），该公约限制分散油的排放量为每月流量加权平均30毫克/升，并正在努力淘汰有害的生产化学物质。在欧盟，化学物质被视为持久性物质的判断标准是其在海洋水体中的半衰期超过60天。然而，随着化学物质种类的不断增加，目前全球已注册超过2亿种化学物质，每年新增注册量在1000万至2000万之间。这意味着，许多新注册的化学物质可能具有持久性特征，但缺乏相应的评估信息。因此，传统基于单一物质的生物降解测试方法已无法满足对复杂排放物中持久性化学物质的全面评估需求。需要一种新的测试方法，能够同时识别和分析复杂排放物中的化学物质数量及结构，从而更好地评估其对环境的潜在影响。

本研究提出了一种名为“持久性导向测试”的新方法，该方法受到效应导向分析（EDA）的启发。效应导向分析是一种通过组合分馏程序、生物测试和高灵敏度化学分析技术来识别复杂混合物中有毒化学物质的方法。在持久性导向测试中，研究人员通过结合生物降解测试、高灵敏度化学分析技术以及有针对性的数据处理方法，识别并可能鉴定复杂排放物中的持久性化学物质。这一方法的创新点在于，它不再仅仅关注化学物质的降解过程，而是直接关注其在环境中的持久性特征。

生物降解测试是近年来发展的一种改进的生物降解动力学测试方法，基于OECD 309的修改版本。该方法最初用于检测低浓度混合物中的化学物质，包括疏水性和挥发性化学物质。近年来，该方法已进一步发展，能够处理成分未知或变化的复杂样品，如石油混合物和精油等。最新的进展表明，该方法可以用于评估复杂排放物中化学物质的生物降解动力学，使用接收环境中的原生微生物作为接种物。通过这种方法，研究人员成功获得了超过100种来自海上石油平台排放物的化学物质的生物降解动力学数据。

本研究中持久性导向测试的创新之处在于，测试设计和数据处理都聚焦于持久性，而非单纯的生物降解。实验过程中，研究人员将排放物样品（复杂化学混合物）与海水样品（含原生微生物）结合，以确定那些在测试结束时未被降解的化学物质，并评估其在环境中的持久性。为了提高化学物质的覆盖范围和持久性评估的全面性，实验采用了两种不同的分析技术：固相微萃取（SPME）与气相色谱-质谱联用（GC-MS），以及固相萃取（SPE）与液相色谱-高分辨率质谱联用（LC-HRMS）。通过结合这两种技术，研究人员可以更全面地识别复杂排放物中的化学物质，并评估其持久性特征。

非靶向分析（NTA）技术近年来得到了快速发展。通过使用高分辨率质谱，研究人员可以检测到数千种化学物质，而无需预先设定靶向物质。这种技术能够提供化学物质的精确质量以及其分子碎片的精确质量，从而有助于在不同置信水平上进行识别和注释。然而，NTA技术的一个局限性是，精确识别（置信水平1）和定量分析仍然具有挑战性。近年来，新的NTA工作流程和软件工具的发展，如计算机辅助结构预测和基于特征的分子网络（FBMN），使得分子注释（置信水平2）、结构解析（置信水平3）和分子式分配（置信水平4）更加自动化和高通量。这些技术已被成功应用于环境研究中。

在本研究中，研究人员将生物降解测试与非靶向分析相结合，以实现对大量化学物质的持久性评估，并提供不同置信水平的化学物质识别信息。研究假设：1）结合环境相关的生物降解测试和先进的分析方法可以揭示复杂排放物中的持久性化学物质；2）基于近期可行性研究，预期在液相色谱（LC）检测范围内，产物水中持久性化学物质的比例会比气相色谱（GC）检测范围更高。此外，研究人员还预计，通过结合NTA和先进的计算工作流程，可以更深入地理解复杂排放物中发现的持久性化学物质的分子层面信息。

研究中使用的材料包括来自海上石油平台的产物水和海水样本。产物水样本被收集在玻璃瓶中，而海水样本则被收集在PET瓶中。为了确保实验条件的稳定性，所有样本在采样后立即运输，并在实验室中保存在适当的温度下。实验中，产物水样本被稀释至不同的比例，以模拟其在海洋中的实际排放情况。同时，研究人员通过生物测试和非靶向分析技术评估了不同稀释比例下的化学物质降解情况。

在实验过程中，研究人员首先进行了30分钟的微毒测试，以确定最佳的稀释比例，避免微生物受到抑制。随后，他们对不同稀释比例的产物水样本进行了生物降解实验，并在60天后通过SPME-GC-MS和SPE-LC-HRMS技术对样本进行了分析。通过计算生物与非生物测试系统的峰面积比值，研究人员评估了每种化学物质的降解情况。峰面积比值接近1的化学物质被认为是未被降解的，因此被标记为持久性化学物质；而峰面积比值接近0的化学物质则被认为是已降解的。对于那些无法明确归类的化学物质，研究人员将其标记为“模糊”类别。

在数据处理过程中，研究人员使用了多种方法对化学物质进行注释。这些方法包括：1）可疑筛查，即使用已知的生产化学物质列表进行匹配；2）光谱库匹配，通过比对检测到的分子离子与已知化学物质的光谱数据；3）基于特征的分子网络（FBMN）结合计算机辅助结构预测。通过这些方法，研究人员能够更准确地识别复杂排放物中的化学物质，并评估其持久性特征。

实验结果显示，在1:200稀释比例下，产物水中检测到的化学物质数量和种类远多于预期。在GC-MS分析中，4%的化学物质被标记为持久性化学物质；而在LC-HRMS分析中，32%至44%的化学物质被标记为持久性化学物质。这些结果表明，产物水中存在大量未被识别的持久性化学物质，这些化学物质可能对海洋生态系统造成长期和不可逆的影响。研究人员进一步发现，一些持久性化学物质具有氮取代的芳香环结构，这可能是其难以降解的原因之一。

此外，研究还指出，由于NTA技术的局限性，许多化学物质的精确识别仍然困难。因此，需要进一步推动化学物质的透明度，包括其使用量、光谱数据和可能的参考物质。这将有助于提高未来NTA研究的全面性和准确性。同时，研究也强调了在海洋排放物中检测持久性化学物质的重要性，并提出了进一步改进测试方法的建议，如使用灭菌的接种物和排放物样品作为非生物对照，以提高测试的环境相关性。

本研究的成果表明，持久性导向测试方法能够有效识别复杂排放物中的持久性化学物质，并为环境监管提供科学依据。通过这种方法，研究人员可以更全面地了解持久性化学物质的分布和影响，从而为减少化学污染和保护海洋生态系统提供支持。未来，随着NTA技术的不断发展和应用，持久性导向测试方法有望成为评估复杂排放物中持久性化学物质的重要工具，进一步推动环境保护工作的科学化和精准化。