近海是水圈、生物圈和大气圈等圈层的典型交汇区域，区域内各类活动剧烈、物质交换频繁[1]。全球三分之二的特大城市位于近海地区[2]，使得近海海域接纳了大量人类排放的各种污染物，其中包括以多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）为代表的芳香族有机化合物（aromatic organic compounds,AOCs）。陆架近海是连接开阔大洋和大陆的重要中间区域，是有机物在海洋和陆地间“源-汇”交换的重要缓冲地带[3]。作为人类活动对生态环境影响最剧烈的区域，近海成为人类排放污染物的重要“汇”，AOCs等污染物通过直接排放、河流输入和海-气交换等方式进入近海水体[4]。这些污染物会迅速参与到“水体-颗粒物”的界面分配过程当中，在水动力因素影响下，一部分污染物随着颗粒物逐渐沉积埋藏[5]，另一部分被生物吸收富集[6]，或随水团传输至其他区域，因此近海也间接成为污染物向开阔海洋传输的释放“源”[7]。

渤、黄海是中国最早开展海洋有机污染调查的海域之一[8]。渤海为半封闭陆架浅海，平均水深为18 m，其水体自净能力和环境承载力相对较弱；黄海是我国重要的西太平洋边缘海之一，其沿岸经济较为发达。渤、黄海区域以石油泄漏、工业排污和渔业捕捞为主的人类活动使得大量AOCs排入渤、黄海近海水体[9-10]。随着石油化工和焦化等行业迅速发展，化石和生物质等有机燃料（如石油、煤炭和木材等）的消耗量显著增加，大量AOCs被排放到自然环境中，给生态环境造成了巨大的压力[11-12]。美国环境保护署于20世纪提出的16种优控母体PAHs作为20世纪70年代易检测、易量化和易评估的代表性污染物，其分布、含量、分配规律和毒理效应得到了广泛研究[13-15]。由于人类对生态环境的影响不断增加，排放至环境中的芳烃类化合物种类也愈加复杂。随着科学研究的不断深入以及我国对海洋环境保护要求的不断提高[16]，针对AOCs的研究已经不能局限于优控母体PAHs等传统污染物。然而，针对其他含氮、硫、氧及烷基化PAHs等各类芳香族衍生物的环境赋存特征研究却十分匮乏[17]。已有研究证实，部分烷基化芳烃类物质的毒性要高于非烷基化同系物，且烷基化芳烃易转化为羟基化衍生物[18]。其他种类的AOCs也因具有更复杂的转化途径[19-22]和更强的生态毒理效应[23-24]迫切需要更加深入的研究。

由于环境样品的基质复杂性以及AOCs在环境中的转化途径具有多样性[25]，对AOCs进行分子识别和定量存在困难。常规的气相色谱质谱联用手段已经难以满足对复杂环境基质中AOCs的高通量识别[26]。鉴于此，本研究利用具有高色谱分离能力的全二维气相色谱-飞行时间质谱（comprehensive two-dimensional gas chromatography-time of flight mass spectrometry,GC×GC-TOFMS），大大提高了对AOCs的识别和鉴定能力，同时针对渤、黄海水体中AOCs的分子组成进行高通量筛查，建立了适用于渤、黄海海水的更加全面的AOCs监测清单；进一步研究渤、黄海近海表层水体中AOCs的空间变化及季节差异特征；并基于扩大的AOCs监测清单，全面评估渤、黄海海水中残留AOCs的潜在生态风险。本研究建立的AOCs分子鉴定和高通量数据库对于正确认识人类活动排放的AOCs对海洋生态的潜在影响具有参考意义。

1、材料与方法

1.1海水的采集和有机提取

分别于2022年4月（春季）、8月（夏季）和10月（秋季）搭载“蓝海101”科考船在渤、黄海沿岸采集表层海水，采样站位信息见表1。利用CTD采水器采集表层海水（深度为2 m）并转移至预清洗的20 L Nalgene聚四氟乙烯内涂层的高密度聚乙烯水桶中，每个站位采样体积为8～20 L。利用直径142 mm的Millipore不锈钢过滤器和蠕动泵系统过滤海水，海水样品经450℃预灼烧的玻璃纤维滤膜（GFF，滤膜孔径为0.7μm，直径142 mm）过滤后，采用2套经10 mL甲醇和10 mL超纯水活化的Agilent Bond Elut C18固相萃取（SPE）小柱（填料500 mg,6 mL）进行有机物富集，蠕动泵控制流速约为5 mL/min，最终将采样后的GFF滤膜和SPE小柱于-20℃条件下密闭保存。在实验室，将SPE小柱置于低速离心机（3000 r/min）中离心去除小柱内残留水分，然后在SPE装置中用10 mL体积比为9∶1的甲醇/二氯甲烷混合溶剂淋洗小柱，以洗脱填料内富集的有机质组分，洗脱液置于10 mL洁净玻璃离心管中，并用干燥无水硫酸钠去除残留水分。使用超纯氮气（99.999%）对洗脱液进行氮吹浓缩，用正己烷复溶并转移至2 mL棕色样品小瓶中，定容至600μL，密封冷冻保存至上机分析。

表1 渤、黄海沿岸表层海水采样站位信息

1.2 GC×GC-TOFMS分析与数据处理

利用美国LECO公司的GC×GC-TOFMS（型号为Pegasus 4D）对样品中的芳香族有机化合物进行测定，优化后GC×GC气相条件为：一维色谱柱选用30 m×0.25 mm×0.25μm的Rxi-5SiMs柱，二维色谱柱选用1.8 m×0.15 mm×0.15μm的Rxi-17SiMs柱，载气为高纯氦气（99.999%），流速为1.2 mL/min，进样量为1μL，不分流进样，进样口温度为280℃，二维炉温补偿温度为5℃，调制器补偿温度为15℃，传输线温度为280℃。GC初始温度为60℃，保持2 min，以4℃/min升高到300℃，保持10 min。GC×GC调制周期设置为5 s，热喷和冷喷时间分别设置为1 s和1.5 s。TOFMS质谱条件：溶剂延迟时间为5 min，电离能量为70 eV，检测器电压为1475 V，离子源温度为250℃，传输线温度为250℃。采用全扫描模式采集数据，质量扫描范围为50～750 u，采集速率为每秒150张谱图。AOCs谱图由LECO Chroma TOF 4.0版本软件解析，质谱数据库为NIST 2.0谱库。数据处理方法中主要参数包括一维峰宽（设为调制周期的4倍）、二维峰宽（一般为0.1 s）和信噪比（设定为100）。

结合AOCs混合标准、NIST谱库相似度、全二维色谱图的瓦片效应和族分离等特征对79种AOCs进行定性，利用AOCs混合标准内标法定量。AOCs混标包括8种母体PAHs(PPAHs）、3种含硫杂环PAHs(PASHs）、8种含氧杂环PAHs(PAOHs）、7种含氮杂环PAHs(PANHs）、17种氧基PAHs(OPAHs）、12种氧基含氧杂环PAHs(OPAOHs）及24种烷基化PAHs(APAHs），详细清单见附表1(1)。AOCs标准均为AccuStandard品牌，购自百灵威公司，纯度大于95%，均溶于甲苯。

1.3质量控制与保证

现场采样、实验室样品预处理和数据分析遵循严格的质量控制流程。以8 L超纯水进行基质加标（氘代PAHs回收率指示物）实验，设置6组平行，经过与样品相同的处理和测试程序后得到加标回收率为73.7%～126.3%。将基质空白中PAHs的3倍标准偏差并经采样量（以8 L的海水体积参与计算）折算后的值作为前处理过程的方法检出限，结果表明，海水中PAHs的方法检出限为0.014～0.064 ng/L。

2、结果与讨论

2.1渤、黄海表层水体中AOCs分子组成高通量数据库的建立

2.1.1半挥发性有机物的分子组成特征

海水有机提取物经过GC×GC-TOFMS检测后，获取所有样品的全扫描谱图数据，依托Chroma TOF 4.0解析软件，针对信噪比、保留时间和谱库匹配度等条件，对谱图信息进行逐步解析，具体流程如图1所示。根据分子特征结构对初步处理后的有机分子进行分类，从整体上分析海水有机提取物半挥发性有机分子组成特征；进一步依据谱库相似度（匹配度）对有机物分子进行分级，确定不同匹配相似度中各类化合物的组成，结合样品季节信息，根据峰面积和峰数量等特征，解析不同季节半挥发性有机分子的组成及浓度差异。除依据现有标准品确定AOCs的筛查清单外，本研究筛选部分谱库相似度大于800的化合物列入补充清单，通过对标准化合物准确定性和定量，以及补充化合物的半定性和半定量，获取渤、黄海近海水体中的AOCs组成及浓度信息，进而对渤、黄海近海水体AOCs进行时空赋存特征和潜在生态风险分析。

图1 GC×GC-TOFMS谱图中半挥发性有机物的分子组成解析流程

本研究以位于黄河口的B2站位为例，对GC×GC-TOFMS解析出的半挥发性有机物的分子组成特征及季节差异进行分析。如表2所示，春季、夏季和秋季黄河口表层海水中谱库相似度大于600（可以反映表层海水中化合物的种类丰富程度）的半挥发性有机物分子数量分别为3127个、1964个和3194个，在总半挥发性有机物分子数量中占比分别为35%、26%和30%。在3个季节的黄河口海水中，春季和秋季的化合物丰富程度相当，而夏季的化合物数量远低于春、秋两季（表2）。峰面积之间的对比一定程度上可以反映季节间化合物相对浓度的差异。各个季节所有化合物峰面积加和后，秋季总峰面积最高，约为3.46×109；春季次之；夏季化合物峰面积最低，约为秋季的0.75倍。谱库相似度大于600的化合物峰面积中，3个季节的差异不明显，其中春季的化合物峰面积最高（2.83×109），在春季总化合物峰面积的占比为90%；夏季的化合物峰面积约为春季的0.8倍；秋季的峰面积与春季相近。初步推测，春、秋两季的化合物丰富程度和浓度相当，而夏季的化合物丰富程度和浓度在3个季节中最低。

表2 不同季节黄河口表层水体半挥发性有机物的分子数量、峰面积（×108）及相对比例（%）

除AOCs外，质谱解析出的半挥发性有机化合物还包括脂肪烃和单苯环类分子及衍生物等。各季节谱库相似度大于600的半挥发性有机化合物中，AOCs的分子数量和峰面积占比都相对较低（表2），春季、夏季和秋季的分子数量占比分别仅为20%、26%和17%。3个季节AOCs分子峰面积占比均不足总峰面积的20%，其中春季和秋季AOCs分子数量和峰面积结构类似。夏季AOCs分子峰面积占比最高，为18%，但夏季AOCs分子峰面积偏低，初步推测夏季AOCs分子的平均浓度较春、秋两季更低。由于AOCs分子的数量和峰面积在谱图中的占比都非常低，这为谱图的解析增加了挑战性和不确定性。因此明确目标物清单，一方面依据标准保留时间和NIST谱库匹配，另一方面结合GC×GC特有的“瓦片效应”和“族分离”特性[27]，能够极大地提高化合物分子的识别准确度，实现目标化合物的精确定性、定量。

2.1.2 AOCs筛选清单的建立

在质谱解析结果置信水平评价体系中，将目标分子与已知标准品的特征碎片、保留时间等信息比对确认的化合物信息有最高的置信水平，可以保证目标分子的准确定性、定量。在质谱解析过程中，除用标准品准确定性和定量的目标化合物，解析软件依据谱库匹配的其他谱库相似度较高的化合物仍包含大量的科学信息[28]。因此，在已知标准品保留时间的条件下，在解谱过程中依据“瓦片效应”和“族分离”特性，能够为标准品的衍生物及相似结构化合物提供较为准确的定性结果。研究表明，对于无标准品的AOCs而言，参考与其保留时间接近且结构相似的标准化合物的质谱响应曲线，能够实现无标准品化合物的半定量化处理[29-30]。本研究基于GC×GC-TOFMS筛查结果建立了包含8种PPAHs、3种PASHs、8种PAOHs、7种PANHs、17种OPAHs、12种OPAOHs及24种APAHs等共7类化合物清单。进一步对春季、夏季、秋季渤、黄海近海表层海水样品进行全组分扫描和鉴定，确定了包含79种化合物的AOCs在内的目标化合物识别清单，具体见附表1(1)。

2.2渤、黄海近海表层水体中AOCs的赋存特征

春季、夏季和秋季渤、黄海近海表层水体中79种AOCs的总浓度（∑79AOCs）分别为512～1977 ng/L、355～2829 ng/L和2118～2369 ng/L，浓度平均值分别为（1266±486) ng/L、（1064±826) ng/L和（2238±86) ng/L（表3）。不同季节渤、黄海近海表层海水中总AOCs浓度的显著性差异检验结果表明，渤、黄海表层海水中总AOCs浓度表现出显著的季节性差异（p<0.05），秋季总AOCs浓度较高，春季次之，夏季总AOCs浓度最低。渤海海域尤其是黄河口的AOCs浓度较高，夏季黄河口的AOCs浓度最高，为2830 ng/L。根据《2022年黄河水资源公报》，2022年7月-10月为黄河汛期，这一时期黄河水量和输沙量明显增加，大量污染物随之排入近海水体[31-32]，通过水-颗粒之间的分配进入海水中。

表3 春季、夏季和秋季渤、黄海近海表层水体中不同类型AOCs的浓度（ng/L）和组成（%）

在不同类别AOCs的组成上，普遍关注的优控PPAHs类化合物浓度仅占总AOCs浓度的2%～3%，显著低于其他类型的PAHs衍生物（表3）。由于极性多环芳烃（如OPAHs和OPAOHs等）与PPAHs相比具有更强的毒性、持久性、亲水性和迁移性[33]，因此，传统上仅依靠PPAHs来评价环境中AOCs的污染水平明显存在较大的误差和不确定性，这使得有必要对不同AOCs的种类、浓度及其生态效应进行深入挖掘和评估。除APAHs（平均占比约为30%）以外，渤、黄海近海表层海水中AOCs组分占比由高到低依次为OPAHs（约25%）、OPAOHs(20%）和PAOHs(15%）等3类包含氧原子的PAHs，其浓度范围分别为161.4～372.7 ng/L、221.4～447.1 ng/L和248.5～476.1 ng/L（表3）。研究表明，含氧AOCs的来源与PPAHs部分相似，主要为化石燃料的不完全燃烧和汽车尾气的排放等来源，复杂环境条件下PPAHs的光化学和生物转化也会促进含氧AOCs的产生[13]。由于这类化合物具有高极性、高水溶性和低蒸气压的特点，其在水、沉积物、大气等环境介质中的分布要比PPAHs更为广泛，且具有更高的生物毒性[34]。从季节上看，秋季表层海水中这3类含氧AOCs浓度显著高于春季和夏季（表3）。另外，PANHs和PASHs在渤、黄海近海表层水体总AOCs中占比较低且来源相对独特，除油品中含噻吩等PASHs外，PANHs和PASHs的来源主要为化学合成，在医疗、药物、染料和功能材料领域都占据着重要地位[35]。本研究共检出3种PASHs和7种PANHs，其中PANHs的整体浓度、检出率均较低（表3）。

2.3基于AOCs高通量筛查清单的渤、黄海近海表层水体中AOCs的生态风险评估

基于化学污染物的生态毒理数据的危险熵值（hazard quotients,HQs）生态风险评估模型已经较为广泛地应用于药物和其他痕量有机污染物对水生生物的生态风险评估[36]。HQs定义为参与生态风险评价的不同类型化合物的浓度（CPAHs,ng/L）与其相应的慢性毒性数据（chronic toxicity,CT,mg/L）比值的加和；其中化合物的慢性毒性数据采用无效应浓度（non-observed effect concentrations,NOEC）或预测无效应浓度（predicted non-effect concentrations,PNEC)[37-38]。通常情况下，所有目标化合物的NOEC或PNEC较难获得，因此，它们也可以用由标准生态毒理测试得到的半数效应浓度EC50或半数致死浓度LC50经过评估因子（assessment factor,AF）校正后的数值代替。因此，HQs的表达式可以表示为公式（1):

式中：不同类型化合物间的校正因子不同；EC50或LC50数据可以由U.S.EPA(U.S.Environmental Protection Agency）的生态结构活性关系（ecological structure activity relationships）软件程序（http://cfpub.epa.gov/ecotox/advanced＿query.htm）获取，部分化合物缺少相应的NOEC、LC50和EC50数据，但其他化合物的高浓度使得其毒理效应不可被忽略，因此在引用SánchezAvila等[38]已经确定的PPAHs评估因子的基础上，本文还参考Sanderson等[39]和Salvito等[40]对污染物毒理效应评价体系中较为保守的赋值策略（表4）。选取海洋生态系统中3个代表不同营养级的生物作为对象，如藻类植物、浮游动物和鱼类，能够综合地评估AOCs对海洋生态系统存在的潜在生态风险。最终的HQs值所代表的生态风险依据如下：（1)HQs<1.0表示该类污染物并无显著的生态风险；（2)1.0≤HQs<10表示该类污染物对海洋生态系统可能产生较小的负面影响；（3)10≤HQs<100表示该类污染物对海洋生态系统可能产生显著的负面影响。由以上模型可计算渤、黄海近海表层海水中8种PPAHs和79种AOCs对鱼类、藻类和水蚤的HQs值（表5）。若仅考虑8种检出的优控PPAHs，不同季节的渤、黄海近海表层海水站位均无显著的生态风险（HQs<1.0）。将79种AOCs纳入HQs生态风险评估模型后，各站位表层海水中藻类、浮游动物和鱼类的生态风险都提升了1～2个数量级。

表4 用于HQs模型评价的各AOCs的校正因子及不同水生生物（鱼类、藻类和甲壳类）的EC50或LC50数据

表5 基于8种PPAHs和79种AOCs计算的渤、黄海近海表层水体中HQs值

BaP是PPAHs中毒性最强的一种组分，具有强致癌性。而其他高分子量PAHs，如BaA、BbF、BkF、IP和DBA也具有较强的致癌性[41]。据此发展了BaP等效风险（BaP equivalent risk,BaPE）模型，这是对PAHs健康风险进行定量评估的一个非常简易且直观的指标[42-44]。BaPE具体表示为将其他具有致癌性的PAHs浓度根据其毒性当量因子（toxic equivalency factors,TEF）换算为等效BaP毒性的浓度[45]，并对各个化合物换算后的浓度值进行加和。BaPE(ng/L）可以用公式（2）表示：

结果表明，仅考虑8种PPAHs，春季、夏季和秋季渤、黄海近海表层水体中BaPE的平均浓度分别为（0.07±0.01)ng/L、（0.04±0.02)ng/L和（0.05±0.04)ng/L（表6）。当将79种AOCs引入BaP等效风险模型后，春季、夏季和秋季的BaPE均值分别为（4.6±1.9)ng/L、（3.99±3.12)ng/L和（7.5±0.5)ng/L（表6），较8种PPAHs的BaPE高出约2个数量级，该值与意大利中部台伯河河口水体的BaPE在同一数量级，显著高于欧盟的环境质量标准（2 ng/L)[46]。大部分结果与HQs模型评价的生态风险结果一致，表明渤、黄海近海表层水体中的AOCs能造成潜在的生态风险。因此，扩充AOCs生态风险评价清单，能够更真实地反映近海水体的实际污染情况及其对生态系统的潜在影响。

表6 基于8种PPAHs和79种AOCs计算的渤黄海近海表层水体中BaPE值

3、结论

(1）基于GC×GC-TOFMS能够实现黄河口表层水体样品中约30%半挥发性有机化合物的初步定性，而AOCs分子数量仅占初步识别化合物总数的20%。

(2）依据GC×GC-TOFMS谱图特征建立了包括60种标准化合物和19种补充化合物在内的目标化合物识别清单。进一步的定量结果表明，渤、黄海近海水体中∑79AOCs的浓度均值为（1523±745)ng/L。春季、夏季和秋季∑79AOCs的浓度均值分别为（1266±486)ng/L、（1064±826)ng/L和（2238±86)ng/L。不同季节的外源输入特征和强度、水-气交换及生物化学作用等存在较大差异，多因子的共同作用使得AOCs表现出明显的季节变化特征。

(3）基于危险熵值和苯并[a]芘等效风险两种生态风险模型的评估结果显示，渤、黄海近海水体优控母体PAHs并无显著的生态风险，而将79种AOCs纳入评估模型后的结果表明，AOCs的生态风险显著增加。本研究结果表明，将包含含氮、含氧、含硫等新型PAHs衍生物纳入监测清单对于正确评估芳烃类有机污染物的环境行为和潜在生态风险是必要的。

参考文献:

[8]魏修华,童钧安,李永祺.黄渤海海域污染状况及对生态的影响[J].黄渤海海洋,1993,11(3):76-82.

[9]宋佳宁.对环渤海区域渤海生态环境治理的思考[J].中国发展,2017,17(5):7-12.

[10]王国光,刘巧灵,冯丽娟,等.黄海､东海及其邻近海域沉积物中的典型持久性有机污染物[J].中国科学:化学,2017,47(11):1284-1297.

[27]押淼磊,李昱茜,王怡程,等.全二维气相色谱-飞行时间质谱(GC×GC/TOFMS)对比研究不同燃料油中烷烃和芳烃的图谱特征[J].环境化学,2016,35(5):933-940.

[29]武姿辰,朱超飞,李晓秀,等.基于GC-QTOF/MS的大气中有机污染物的非靶标筛查及半定量分析[J].环境化学,2021,40(12):3698-3705.

[31]范博,王晓南,黄云,等.我国七大流域水体多环芳烃的分布特征及风险评价[J].环境科学,2019,40(5):2101-2114.

[32]黄国培.渤海水体中溶解态黑碳的时空分布与来源通量[D].烟台:中国科学院大学,2016.

[35]邢巧艳.非贵金属催化剂参与条件下的含硫､含氮杂环选择性合成反应研究[D].湘潭:湘潭大学,2022.

[43]康杰,胡健康,朱兆洲,等.太湖及周边河流表层沉积物中PAHs的分布､来源与风险评价[J].中国环境科学,2017,37(3):1162-1170.

基金资助:国家自然科学基金项目(42277244,42007319);

文章来源:吴玉玲,付瑜,张瑞,等.渤､黄海近海水体中芳香族有机化合物的分子识别和风险评估[J].海洋环境科学,2024,43(06):898-908.