游靜：創(chuàng)新突破大數(shù)據(jù)助力新污染物篩查

2022.10.24

　　日前，國(guó)辦印發(fā)《新污染物治理行動(dòng)方案》，要求到2025年，完成高關(guān)注、高產(chǎn)（用）量的化學(xué)物質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)篩查，完成一批化學(xué)物質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)重點(diǎn)管控新污染物實(shí)施禁止、限制、限排等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控措施，新污染物治理能力明顯增強(qiáng)。今年的《政府工作報(bào)告》中，也明確了加強(qiáng)固體廢物和新污染物治理的任務(wù)。環(huán)境中新污染物成千上萬(wàn)，且均為痕量存在，需要監(jiān)測(cè)哪些？如何評(píng)估其毒理作用？這些都需要研究者給出方向，來(lái)指導(dǎo)未來(lái)的治理工作。近日，分析測(cè)試百科網(wǎng)采訪了暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院游靜教授，她分享了團(tuán)隊(duì)結(jié)合大數(shù)據(jù)開(kāi)展的新污染物篩查工作，并評(píng)述了科學(xué)儀器在其中發(fā)揮的作用。

　　游靜團(tuán)隊(duì)的研究工作主要是如何在一個(gè)水環(huán)境復(fù)雜體系中，發(fā)現(xiàn)、了解并鑒定最關(guān)鍵的致毒物質(zhì)?！艾F(xiàn)在環(huán)境中存在多種不同類(lèi)型的新污染物，但是這些新污染物到底是什么種類(lèi)？對(duì)體系產(chǎn)生怎樣的危害？目前我們還不太清楚。因此，我們的工作是希望知道在環(huán)境中，存在哪些污染物，它們對(duì)人體以及水生動(dòng)物在不同的層面、甚至整個(gè)種群產(chǎn)生怎樣的影響”游靜說(shuō)到。

　　游靜教授自2009年回國(guó)之后，一直在監(jiān)控廣州的水環(huán)境，“20年前，我國(guó)黑臭水體問(wèn)題比較嚴(yán)重，人們的健康受到了較大的的威脅。經(jīng)過(guò)近10年的治理，這些問(wèn)題得到了有效的解決”。研究證明，現(xiàn)在我國(guó)水體中污染物的對(duì)生物急性毒性效應(yīng)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，水環(huán)境逐步變好。黑臭水體等問(wèn)題得到解決后，其他非致死效應(yīng)的污染物逐漸凸顯出來(lái)，例如與新污染物相關(guān)的神經(jīng)毒性物質(zhì)、內(nèi)分泌干擾物等。

　　目前，廣泛關(guān)注的新污染物有四大類(lèi)：一是持久性有機(jī)污染物，二是內(nèi)分泌干擾物，三是抗生素，四是微塑料。這些污染物排放到環(huán)境中后，被界定為新污染物，需要進(jìn)行監(jiān)控。隨著人們對(duì)化學(xué)物質(zhì)環(huán)境和健康危害認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，識(shí)別出的新污染物種類(lèi)還將持續(xù)增加，因此需要人們更加深入研究這類(lèi)污染物。

　　水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要有2個(gè)部分：暴露與效應(yīng)。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，獲得暴露信息即需要知道有什么物質(zhì)，污染程度是怎樣的？主要采用GC-MS、LC-MS、光譜儀等分析手段進(jìn)行大量的化學(xué)分析。效應(yīng)方面的研究主要通過(guò)細(xì)胞測(cè)試、動(dòng)物測(cè)試等，也可配合成像技術(shù)，清晰獲知哪些器官部位產(chǎn)生效應(yīng)。將暴露和效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，則可以了解研究區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)狀況，為政府管理部門(mén)提供有效的管理建議。

　　新污染物具有“新”“多”“廣”“低”四大特點(diǎn)。新，是新近發(fā)現(xiàn)或者被關(guān)注；多，是現(xiàn)有種類(lèi)多、新增多；廣，是來(lái)源廣，可能來(lái)自不同行業(yè)生產(chǎn)、使用、消費(fèi)和處置各環(huán)節(jié)；低，環(huán)境中新污染物濃度普遍較低，有的達(dá)到痕量/超痕量水平。這些特點(diǎn)對(duì)新污染物監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法提出了更高要求。常規(guī)污染物有國(guó)標(biāo)方法且含量相對(duì)很高；全氟化合物、內(nèi)分泌干擾物等新污染物，在環(huán)境中均是痕量存在，對(duì)于儀器要求較高，往往使用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器檢測(cè)。

　　以效應(yīng)為導(dǎo)向進(jìn)行新污染物的篩查識(shí)別

　　新污染物有成千上萬(wàn)，到底哪些需要監(jiān)測(cè)？游靜認(rèn)為：以效應(yīng)為導(dǎo)向來(lái)進(jìn)行新污染物的篩查識(shí)別是很重要的方向。團(tuán)隊(duì)將人工智能融入新污染物篩查識(shí)別中，以效應(yīng)指導(dǎo)從靶標(biāo)到可疑和非靶標(biāo)的毒性物質(zhì)篩查，在該研究方面團(tuán)隊(duì)走在了國(guó)際前列。

　　精準(zhǔn)識(shí)別關(guān)鍵致毒物是有效開(kāi)展復(fù)合污染水環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管控的前提，而生物測(cè)試方法的選擇直接制約著可識(shí)別的致毒物種類(lèi)。團(tuán)隊(duì)前期研究工作中，運(yùn)用有害結(jié)局路徑（AOP）理論指導(dǎo)成組生物測(cè)試方法的選擇，同時(shí)發(fā)展仿生萃取和被動(dòng)加標(biāo)技術(shù)，將環(huán)境污染物的致毒機(jī)制和生物有效性結(jié)合到毒性識(shí)別中，并提出了開(kāi)展基于證據(jù)權(quán)重和毒性識(shí)別篩查的復(fù)合污染流域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本框架和技術(shù)指南。

　　在此基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)今大數(shù)據(jù)科學(xué)的蓬勃發(fā)展趨勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)近期提出了一種全新的致毒物分類(lèi)方法（事件驅(qū)動(dòng)分類(lèi)法，Event driven taxonomy，EDT），用于混合物體系的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)價(jià)，以期突破基于單一化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)思維，發(fā)展復(fù)合污染條件下環(huán)境/健康/生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的新理念。該EDT可有效考慮不同類(lèi)型污染物的致毒機(jī)制，在環(huán)境脅迫物（不單局限于化學(xué)品，也可用于物理或生物等脅迫）與AOP中的分子起始事件之間建立特征向量關(guān)系，并以歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和單一環(huán)境脅迫物的不良效應(yīng)數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)變量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型毒性識(shí)別模式的構(gòu)建。在EDT框架下，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)致毒物分類(lèi)，結(jié)合高通量生物測(cè)試篩選效應(yīng)組分，用于指導(dǎo)基于效應(yīng)的新污染物篩查?；贓DT的混合物體系評(píng)估框架，可有效解決毒性評(píng)價(jià)中假設(shè)模型單一的問(wèn)題，同時(shí)考慮濃度加和和獨(dú)立作用模型，將有效提高復(fù)合污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性。EDT的概念及應(yīng)用框架發(fā)表在Environ. Sci. Technol. 2020, 54, 5925?5927上。

　　中國(guó)水環(huán)境區(qū)域毒性特征：大數(shù)據(jù)文本挖掘

　　水生態(tài)系統(tǒng)受到復(fù)雜混合物的污染，其中許多污染物的特性未知，導(dǎo)致生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估存在相當(dāng)大的不確定性?；谏镄?yīng)評(píng)估與化學(xué)分析的結(jié)合，為識(shí)別未知環(huán)境脅迫物和評(píng)估混合物風(fēng)險(xiǎn)提供了一種有潛力的解決方案。毒性終點(diǎn)通常決定了哪些類(lèi)型的污染物是產(chǎn)生不良影響的關(guān)鍵因素，由于監(jiān)管要求、已有的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)某些特定終點(diǎn)的關(guān)注傾向，毒性終點(diǎn)選擇可能存在一定主觀性，從而影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，引入評(píng)估不確定性。

　　在大數(shù)據(jù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，基于數(shù)據(jù)挖掘的科學(xué)決策和機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)化策略被提出，并作為一種強(qiáng)有力的策略來(lái)減少由主管決策產(chǎn)生的不確定性。文本挖掘方法集成了網(wǎng)絡(luò)解析器、自然語(yǔ)言處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，具有先進(jìn)的文獻(xiàn)收集和信息分析能力，并已被應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究中。比如國(guó)外開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合網(wǎng)絡(luò)蜘蛛和元分析的文獻(xiàn)收集方法，驗(yàn)證數(shù)據(jù)質(zhì)量，并進(jìn)一步使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)神經(jīng)醫(yī)學(xué)中的認(rèn)知過(guò)程術(shù)語(yǔ)進(jìn)行分類(lèi)；此外，為了讓計(jì)算機(jī)能夠讀取文獻(xiàn)內(nèi)容，研究人員構(gòu)建了一種文本挖掘方法，使用命名實(shí)體識(shí)別將microRNA和癌癥聯(lián)系起來(lái)。由于毒性終點(diǎn)的選擇影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果，因此需要基于更全面的證據(jù)來(lái)進(jìn)行科學(xué)決策，而非主觀選擇，文本挖掘成為一種可用方法。

　　游靜團(tuán)隊(duì)將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，開(kāi)發(fā)了一種新的基于EDT的文本挖掘工具，以查找可能導(dǎo)致水生態(tài)毒性的源頭。該工具集成了自動(dòng)文獻(xiàn)收集、使用基于AOP的毒理學(xué)術(shù)語(yǔ)的自然語(yǔ)言處理和機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)事件驅(qū)動(dòng)因素（EDs）進(jìn)行分類(lèi)，并整理其區(qū)域特征，該成果近期發(fā)表于Environ. Sci. Technol. 2021, 55, 8977?8986上。

　　麻醉作用、雌激素受體和芳烴受體介導(dǎo)是中國(guó)水環(huán)境中主要的ED，但不同區(qū)域ED指紋顯著不同?；谥袊?guó)過(guò)去十年的水污染研究結(jié)果，團(tuán)隊(duì)收集了超過(guò)14,000篇文獻(xiàn)。通過(guò)AOP分析，構(gòu)建了包含1,039個(gè)毒理學(xué)術(shù)語(yǔ)的詞典，整理了多類(lèi)與生物效應(yīng)相關(guān)的作用模式，但只有不到一半的生物效應(yīng)可直接通過(guò)AOP闡明。為了填補(bǔ)這些毒性機(jī)制方面的知識(shí)空白，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于EDT的樸素貝葉斯分類(lèi)器來(lái)注釋關(guān)鍵事件。這種分類(lèi)器的交叉驗(yàn)證達(dá)到74%的準(zhǔn)確性，并將85%的生物效應(yīng)標(biāo)記為26個(gè)EDs。該EDT分類(lèi)器對(duì)毒性機(jī)制不明確的末端終點(diǎn)，可顯著提高對(duì)AOP事件的注釋。

通過(guò)將文本挖掘與不良結(jié)局途徑（AOP）結(jié)合起來(lái)，對(duì)過(guò)去10年中國(guó)水環(huán)境生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行整體評(píng)估的工作流程。分析了1071個(gè)AOP元素，包括分子起始事件（MIE）、關(guān)鍵事件（KEs）和不良后果（AOs），并將其納入詞典。EDT和ED分別表示事件驅(qū)動(dòng)分類(lèi)法和事件驅(qū)動(dòng)子。

　　該項(xiàng)研究的意義是：與傳統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述相比，團(tuán)隊(duì)使用文本挖掘來(lái)獲取更全面的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的識(shí)別流程相比，文本挖掘避免了數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可能的主觀決定，而是用自然語(yǔ)言處理文本消息，并將這些消息轉(zhuǎn)換為機(jī)器可讀數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步分析。因此，所收集的文獻(xiàn)信息更全面、更客觀有效，較少受到文獻(xiàn)綜述所用不同方法的影響。

從過(guò)去10年對(duì)中國(guó)水環(huán)境樣品表現(xiàn)的生物效應(yīng)總結(jié)出的不同毒性作用機(jī)制的頻率（源于4562份文獻(xiàn)）。通過(guò)兩種方法分類(lèi)的對(duì)比，一種僅基于文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)（藍(lán)點(diǎn)），另一種基于事件驅(qū)動(dòng)分類(lèi)法（EDT）分類(lèi)器注釋數(shù)據(jù)（紅點(diǎn)）。

　　文本挖掘與人工智能技術(shù)，如數(shù)據(jù)收集與融合、自然語(yǔ)言處理、元分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，為深入了解可能存在重要水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域特定污染物的知識(shí)差距提供了一種切實(shí)可行的方法?；贓DT的水生態(tài)效應(yīng)評(píng)估是將AOP網(wǎng)絡(luò)整合到水生系統(tǒng)復(fù)合污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的獨(dú)特嘗試，為在環(huán)境毒理學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展可解釋的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型研究開(kāi)拓了一條新路。

　　游靜表示：“實(shí)驗(yàn)室未來(lái)將延續(xù)水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理的工作。我們正在把大數(shù)據(jù)技術(shù)運(yùn)用到復(fù)雜環(huán)境中新污染物的非靶標(biāo)篩查，未來(lái)將進(jìn)一步在該方向拓展?！?/p>

　　鑒定確定沉積物中生物有效的可疑毒物

　　美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的《化學(xué)文摘》（American Chemical Society’s Chemical Abstract，2019）中索引了超過(guò)1.43億種化學(xué)物質(zhì)，其中約有100萬(wàn)種化學(xué)物質(zhì)可在市場(chǎng)上買(mǎi)到（Daughton，2005）。因此，化學(xué)混合物在全球各種環(huán)境介質(zhì)中普遍存在，水生系統(tǒng)也不例外，尤其在水體沉積物復(fù)合污染是常態(tài)。

　　游靜團(tuán)隊(duì)采用基于細(xì)胞的體外生物測(cè)試，對(duì)廣州城市水道沉積物中的XAD提取物進(jìn)行了檢測(cè)，其中包括來(lái)自肺、肝、乳腺和骨髓的四種人類(lèi)腫瘤細(xì)胞。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)SH-SY5Y細(xì)胞受到了沉積物提取物的顯著影響。在隨后基于AOP的效應(yīng)導(dǎo)向分析（EDA）中，使用AOP26通路中成組毒性終點(diǎn)（鈣內(nèi)流、MMP抑制、ROS活性和細(xì)胞存活率）對(duì)EDA的35個(gè)組分進(jìn)行了測(cè)試，并篩選出活性組分。

使用不良結(jié)果路徑導(dǎo)向分析確定沉積物中生物可獲得的可疑毒物

　　進(jìn)一步使用GC-MS對(duì)活性組分進(jìn)行可疑篩查，在近千種化合物中發(fā)現(xiàn)了沉積物中通過(guò)AOP26引起細(xì)胞毒性的污染物（合成麝香和氯氰菊酯），并結(jié)合污染物毒性作用機(jī)制進(jìn)行了毒性確認(rèn)。研究表明在AOP框架內(nèi)使用同一條毒性通路上多個(gè)毒性終點(diǎn)開(kāi)展生物測(cè)試，發(fā)現(xiàn)非常規(guī)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵致毒物的潛在優(yōu)勢(shì)，這可以降低使用單一末端終點(diǎn)進(jìn)行毒性評(píng)估不確定性。該成果近期發(fā)表在Journal of Hazardous Materials 389 (2020) 121853上。

　　協(xié)同創(chuàng)新，助力科研

　　科研離不開(kāi)儀器的支持。游靜教授從2009年回國(guó)后在廣州地化所工作，再轉(zhuǎn)入暨南大學(xué)，一直使用島津儀器開(kāi)展科研工作。與島津十幾年的合作過(guò)程中，游靜使用了不同類(lèi)型的儀器，取得了很多成果?！斑@離不開(kāi)島津工程師一直以來(lái)及時(shí)有效的溝通，實(shí)驗(yàn)室的各類(lèi)問(wèn)題即使在非工作時(shí)間也能得到幫助?！庇戊o表示：“未來(lái)我們希望與島津加強(qiáng)新污染物篩查研究，開(kāi)發(fā)更多應(yīng)用，加強(qiáng)合作，共建新方法，也希望團(tuán)隊(duì)的科研成果也可以運(yùn)用到島津的工作中?！?/p>

　　2021年，暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院與島津建立了合作實(shí)驗(yàn)室。合作實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人張娜主任表示：2000年左右，暨南大學(xué)環(huán)境工程系（環(huán)境學(xué)院前身）實(shí)驗(yàn)室就和島津公司有了初步的合作：不斷購(gòu)置了島津的儀器，隨著實(shí)驗(yàn)室的不斷擴(kuò)大，島津的儀器就越來(lái)越被環(huán)境學(xué)院廣泛使用：如光譜、質(zhì)譜、元素分析、生命科學(xué)等各大類(lèi)儀器。在這些儀器的助力下，2015年以來(lái)暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院承擔(dān)各類(lèi)科研項(xiàng)目300余項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目90余項(xiàng)，省部級(jí)及地方項(xiàng)目112項(xiàng)。發(fā)表SCI論文1000余篇，出版專(zhuān)著和教材12部，獲得國(guó)家ZL授權(quán)50余項(xiàng)，省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)8項(xiàng)。

　　暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院目前有環(huán)境化學(xué)、污染生態(tài)學(xué)、環(huán)境暴露與健康風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境污染控制與修復(fù)、環(huán)境規(guī)劃與管理等五個(gè)研究方向，逐步形成了具有一定學(xué)科優(yōu)勢(shì)和特色的科研團(tuán)隊(duì)。

　　張娜表示：“合作實(shí)驗(yàn)室為島津和環(huán)境學(xué)院打造出雙贏的儀器研發(fā)及科研創(chuàng)新的大平臺(tái)。島津公司可以在合作實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行儀器功能的開(kāi)發(fā)、推廣等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并為環(huán)境學(xué)院提供高端的先進(jìn)儀器設(shè)備及優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。”

　　合作實(shí)驗(yàn)室除了為高校的科研提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，還能為高校的人才培養(yǎng)、學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等提供平臺(tái)，張娜期待未來(lái)雙方能有更多實(shí)質(zhì)性的合作成果。

暨南大學(xué)游靜

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