评估更环保化学品对空气质量的影响：超越传统指标

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Assessing Air Quality Impacts of Greener Chemicals: Beyond Traditional Metrics

　　本文探讨替代化学品的空气命运及环境影响，指出现有法规忽视新化学品的光氧化行为，提出需纳入早期设计的三项关键指标：挥发性比例、羟基自由基反应速率及光化学臭氧生成潜力，以避免商业化后的环境风险。

　　空气污染对人类健康和生活质量的影响日益严重，已经成为全球面临的重要环境问题之一。据最新估计，每年因空气污染导致的过早死亡人数高达700万，这一数字不仅揭示了空气污染的严重性，也表明其对心理健康的影响正在逐渐受到关注。在发展中国家，空气污染被视为影响公众健康的显著风险因素，尤其是在工业化和城市化迅速推进的背景下，空气污染问题尤为突出。尽管工业界在减少传统污染源（如交通运输和化石燃料加工）方面取得了一定成效，但来自溶剂、农业化学品、粘合剂等新型挥发性有机化合物（VOCs）的排放依然持续，并且在总非甲烷VOCs排放中占据主导地位。这些人为排放的化合物被大气化学界统称为挥发性化学品（VCPs）。

在新化学品的设计过程中，通常关注的是其毒性、可降解性以及对环境的潜在危害，但往往忽略了其大气命运。许多研究者在评估新化学品的环境影响时，主要依赖于生物降解性这一单一指标，而这种做法可能不足以全面反映其对空气质量和生态系统的影响。实际上，某些新化学品由于其分子结构的特殊性，可能会产生意想不到的大气光氧化路径，从而对空气质量造成更大的负面影响。例如，一些农业化学品由于其设计过程中对光化学稳定性的追求，导致其在大气中具有较长的寿命，从而能够远距离传输并对空气质量、人类健康和生态环境产生更大的危害。

因此，有必要在新化学品的设计阶段就引入大气命运分析，以避免可能的环境热点。然而，实验研究大气中的气相光氧化反应过程复杂且耗时，对于非专家或需要在早期筛选大量化合物的研究者而言，难以直接应用。幸运的是，目前有许多易于获取且免费的工具，可以用来估算与大气化学相关的参数。这些工具不仅能够帮助研究者快速评估新化学品的环境影响，还能够为化学品的可持续发展提供科学依据。

在我们的研究中，发现有三种关键指标可以用于评估新化学品对空气质量和环境的潜在影响。首先，需要了解化学品在释放到环境中后可能的归宿，即其是否会进入大气、水体、土壤或沉积物中。为此，我们推荐使用Parnis及其团队开发的逸度模型，该模型不仅功能强大，而且易于使用。理想情况下，模型的输入数据应通过实验测量获得，但在实际操作中，许多数据可能无法获得，此时可以通过结构-活性关系（SARs）进行估算。美国环保局（EPA）提供的EPI Web工具包中包含了一系列SARs，仅需提供SMILES代码或绘制的分子结构即可获取高质量的数据。

其次，需要评估VCPs在气相中与羟基自由基（OH）反应的速率系数（k_OH）。羟基自由基是大气中大多数有机物的主要清除途径，因为它们由阳光引发的氧化剂（如臭氧和二氧化氮）与水分子之间的反应生成。羟基自由基对VOCs的反应活性远高于其前体氧化剂。准确估算k_OH不仅可以计算VOCs在对流层中的寿命，还能够为其他大气参数的预测提供基础。对于这一参数的估算，我们推荐使用Jenkin等人开发的SAR，该方法可以通过基于网络的GECKO-A模型实现，由巴黎-东克雷泰尔大学提供。这一工具还能够自动将速率常数转换为大气寿命，从而便于识别那些寿命较长、可能作为温室气体的化合物。

第三，需要评估新化学品的光化学臭氧生成潜力（POCP_E）。POCP_E是衡量特定VOCs在对流层中臭氧生成量和速率的综合指标，可以作为评估其他空气污染影响（如气溶胶、烟雾等）的有效代理。这一值可以通过Jenkin等人开发的SAR进行估算，利用之前估算的速率常数和一些基本的分子结构信息即可获得。POCP_E是一个强大的描述符，可以单独使用（我们通常认为POCP_E在1-30之间为良好，30-60之间为较差，超过60则为高度有害），也可以用于直接比较潜在替代品与被替代化合物的环境影响，更低的值为更优选择。

除了上述三种指标外，全球变暖潜力（GWP）和臭氧消耗潜力（ODP）等其他大气指标在某些情况下也可能是重要的，但大多数（非卤代）VOCs的寿命并不足以成为强效的温室气体或消耗平流层臭氧。因此，确保新化学品的POCP_E低于其替代对象是首要任务。

我们强烈建议研究界在新化学品的设计过程中纳入这三种指标（大气中损失的比例、大气寿命和POCP_E），并将其作为定量指标，以评估新化合物的相对绿色程度。通过这种方式，可以更有效地识别和避免可能的环境热点，从而推动更可持续的化学品开发。这不仅有助于减少对空气质量和生态系统的负面影响，还能够为政策制定和环境管理提供科学支持。在未来的可持续化学研究中，跨学科合作将变得尤为重要，特别是在大气化学和绿色化学之间建立更紧密的联系，以共同应对环境挑战。