“雙碳”背景下能源關(guān)鍵元素暴露的神經(jīng)效應(yīng)研究進(jìn)展

崔佳璟 李希涵 陳漢清 陳 瑞 李曉波*

(1.首都醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院 勞動衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學(xué)系,北京 100069;2.首都醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院 預(yù)防醫(yī)學(xué)系,北京 100069;3.首都醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院 營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)系,北京 100069;4.首都醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院 衛(wèi)生毒理與衛(wèi)生化學(xué)系,北京 100069)

2015年第21屆聯(lián)合國氣候變化大會通過的《巴黎協(xié)定》(The 21thConference of the Parties,COP21)是旨在應(yīng)對氣候變化的重要國際協(xié)定之一。中國在應(yīng)對氣候變化的行動中展現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng);此外,日益嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題要求我國的發(fā)展模式向可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?；谶@兩方面背景,2020年9月,我國明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo),即“雙碳”目標(biāo)[1]。

為了貫徹落實“雙碳”目標(biāo),關(guān)鍵途徑之一是推動綠色能源發(fā)展。擴(kuò)大現(xiàn)代綠色技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)的使用,對能源關(guān)鍵材料的需求有所增加,這其中能源關(guān)鍵元素(Energy-critical elements,ECEs)起到重要作用[2]。ECEs包含17種稀土元素(Rare earth elements,REE),即15種鑭系元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)[3]和兩種與鑭系元素性質(zhì)十分相似的元素——釔(Y)和鈧(Sc);此外還包括鋰(Li)、鈷(Co)、硒(Se)、硅(Si)、碲(Te)、銦(In)等元素。本文主要關(guān)注其中的金屬元素。

隨著金屬ECEs在綠色能源產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用增加,其帶來的環(huán)境影響和健康效應(yīng)日益受到關(guān)注。與金屬ECEs暴露相關(guān)的健康影響包括甲狀腺及腎臟功能損害[4],神經(jīng)、心血管和內(nèi)分泌缺陷[5],銦肺病和致癌性[6],腎源性系統(tǒng)性纖維化,神經(jīng)系統(tǒng)功能失調(diào),纖維化組織損傷,氧化應(yīng)激,塵肺,細(xì)胞毒性[7],男性DNA損傷及染色體畸變[8]等。然而,關(guān)于人類健康影響,特別是關(guān)于金屬ECEs長期暴露的健康效應(yīng)及其作用機(jī)制的研究仍然十分有限。

本文的檢索策略首先包括使用各種名稱的ECEs和REE以及聲明為ECEs和REE的所有金屬元素進(jìn)行標(biāo)題搜索,在標(biāo)題、摘要和關(guān)鍵詞中搜索描述ECEs及REE對人類和環(huán)境健康影響的相關(guān)術(shù)語的組合作為主題搜索,標(biāo)題檢索與主題檢索相結(jié)合,將時間范圍控制在2014～2023年,在WOS共檢索到16 076篇文獻(xiàn)。發(fā)現(xiàn)金屬ECEs可能造成多個系統(tǒng)損傷,如神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等,其中神經(jīng)系統(tǒng)損傷的研究最為廣泛,故本文主要對金屬ECEs的神經(jīng)效應(yīng)進(jìn)行綜述。

1 金屬ECEs暴露場景和途徑

ECEs中的金屬元素主要被應(yīng)用于以下綠色能源領(lǐng)域:1)鋰——電動汽車的可充電電池[9];2)鈷——鋰離子電池負(fù)極中的鈷納米材料[10];3)銦——薄膜太陽電池、充電樁[11];4)鑭——鎳金屬混合(NiMH)可充電電池、電動汽車電池、氫動力汽車[12];5)釹——電動和混合動力汽車電機(jī)中的永磁體[13];6)鐠——超級電容器電極及電催化劑[14];7)鈧——航空航天和汽車行業(yè)中高強度輕質(zhì)合金[15];8)鏑——風(fēng)力渦輪機(jī)和電動汽車[16];9)鈰——鋰離子電池、鎳氫電池[12];10)鋱——風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽能電池板[17];11)釔——汽車尾氣凈化、光電催化[18]。

金屬ECEs在人類中的暴露場景主要為職業(yè)暴露。職業(yè)工人在金屬ECEs的開采、加工及回收過程中均存在暴露風(fēng)險。開采加工金屬ECEs與人類健康風(fēng)險升高有關(guān),這些風(fēng)險與多種直接暴露途徑,如吸入、攝入污染的灰塵和飲食有關(guān)[19]。據(jù)報道,在ECEs開采過程中,蔬菜[20]、土壤[21]和街道灰塵[22]中ECEs含量較對照區(qū)域升高,表明礦區(qū)居民通過飲食或呼吸道也可暴露于ECEs。

在過去幾年中,世界各地許多組織都加強了對可再生能源回收的研究,從報廢電子電氣設(shè)備中回收可再生能源是獲取ECE的主要途徑之一[13,23]。回收過程主要可分為收集、拆解、分離和作為其他金屬加工四個關(guān)鍵步驟。首先,在收集過程中,由于廢物破損,有害物質(zhì)可能泄漏到大氣中,通過吸入、攝入和皮膚接觸而暴露給人類;其次,在拆解和分離過程中會產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds,VOC)和粉塵,產(chǎn)生的粉塵可能含有各種金屬物質(zhì),包括ECEs[24],也會通過呼吸道進(jìn)入人體?？傊?使用不當(dāng)?shù)姆椒ㄌ幚黼娮訌U物,會增加健康有害物質(zhì)的暴露,污染物可以通過吸收、攝入和皮膚接觸進(jìn)入人體,之后會在血液、大腦和骨骼中積聚[25],導(dǎo)致各種有害影響[26]。

2 金屬ECEs的神經(jīng)毒性效應(yīng)和機(jī)制

2.1 人群研究證據(jù)和機(jī)制

對金屬ECEs所致神經(jīng)毒性效應(yīng)的人群研究非常有限。早期的一項研究表明,在我國稀土元素豐富的地區(qū),長期攝入低劑量的REE會降低人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)信號傳導(dǎo)速度[27]。生活在稀土礦區(qū)的兒童平均智商、學(xué)習(xí)和記憶能力均低于生活在非稀土礦區(qū)的同齡人[28]。

與其他ECEs不同,鋰對神經(jīng)系統(tǒng)既有保護(hù)作用又有毒性作用,這與其暴露劑量有關(guān)。作為治療雙相情感障礙的一線藥物,治療劑量的鋰對人的認(rèn)知功能具有保護(hù)作用[29]。人體急性鋰中毒通常導(dǎo)致輕度神經(jīng)毒性[30],而這種毒性作用在鋰清除后是可逆的。鋰暴露引起的神經(jīng)系統(tǒng)慢性蓄積作用,最常見的特征是長期譫妄,其次是小腦震顫、共濟(jì)失調(diào)和錐體外系反射亢進(jìn)、構(gòu)音障礙、強直和陣攣[31]?！安豢赡驿囆?yīng)神經(jīng)毒性綜合征(Syndrome of irreversible lithium-effectuated neurotoxicity,SILENT)”是鋰中毒的后遺癥之一,其生物學(xué)機(jī)制尚不明確,但推測其原因可能是鋰引起的神經(jīng)系統(tǒng)多個部位(包括小腦)的脫髓鞘[32]。一些研究表明,鈷顆?？梢匝刂窠?jīng)元軸突和樹突遷移,并進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)節(jié),最終引起神經(jīng)毒性作用[33]。還有報道稱,吸入鈷納米顆粒會導(dǎo)致工人記憶缺陷[34],但其機(jī)制尚不明確。

2.2 體內(nèi)及體外模型研究和機(jī)制探討

相較于人群研究,金屬ECEs對細(xì)胞等體內(nèi)外生物模型的神經(jīng)毒性效應(yīng)的研究相對較多,這對于確定各金屬ECEs對人類神經(jīng)系統(tǒng)潛在的作用方式及結(jié)果非常重要。表1總結(jié)了金屬ECEs對體內(nèi)模型的神經(jīng)毒性作用及潛在機(jī)制。體內(nèi)模型的研究對象多為大鼠等嚙齒類動物,還涉及水生動物如斑馬魚和貽貝等。鋰和鈷的暴露途徑主要為腹腔注射,鑭的暴露途徑主要為口服給藥,此外鼻滴給藥、灌胃給藥等方式也被其他元素所使用,而水生動物的暴露途徑主要是合成水飼養(yǎng)。急性暴露時長為數(shù)小時,慢性暴露可長達(dá)15周。這些研究所闡述的金屬ECEs的毒性作用機(jī)制集中在氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)紊亂、海馬體中信號通路改變等,最終導(dǎo)致神經(jīng)元、海馬體、腦組織損傷,動物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育不良,學(xué)習(xí)及記憶功能障礙。

表1 體內(nèi)模型金屬ECEs神經(jīng)毒性研究

進(jìn)一步探索體外模型中金屬ECEs對各種細(xì)胞的神經(jīng)毒性發(fā)現(xiàn),盡管鋰在治療過程中有效濃度和過量濃度下對人神經(jīng)系統(tǒng)的作用截然不同[54],但有趣的是,絕大多數(shù)研究關(guān)注鋰的神經(jīng)保護(hù)作用,針對其有害作用的研究數(shù)量十分有限。表2總結(jié)了金屬ECEs對體外模型的神經(jīng)毒性作用,其暴露途徑均為培養(yǎng)基孵育,使用的細(xì)胞株主要為大鼠來源的PC12細(xì)胞和人源SH-SY5Y細(xì)胞這兩種常見的神經(jīng)細(xì)胞。此外,微電極陣列神經(jīng)芯片上生長的初級皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)被用于評估鑭的急性神經(jīng)毒理學(xué)作用,其優(yōu)勢是可以保持自發(fā)活性和藥理學(xué)反應(yīng)超過一年[55],可以將此項技術(shù)推廣應(yīng)用于其他金屬ECEs的毒理學(xué)研究。氧化應(yīng)激依然是體外模型中ECEs神經(jīng)效應(yīng)的主要作用機(jī)制,Ca2+介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有較多報道。毒性表型主要體現(xiàn)在細(xì)胞凋亡及損傷方面,這均體現(xiàn)了ECEs可能誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的作用。

表2 體外模型金屬ECEs神經(jīng)毒性研究

金屬ECEs暴露途徑及神經(jīng)效應(yīng)研究進(jìn)展如圖1所示。

圖1 金屬ECEs暴露途徑及神經(jīng)效應(yīng)Figure 1 Exposure routes and neural effects of metal ECEs.

3 展望和挑戰(zhàn)

3.1 ECEs健康效應(yīng)研究的挑戰(zhàn)和限制

由于暴露于金屬ECEs的人群水平研究數(shù)量較少,探究金屬ECEs對人類健康效應(yīng)的影響主要依賴于已發(fā)表的體內(nèi)外實驗數(shù)據(jù)以及在金屬ECEs礦區(qū)開展的人群調(diào)查,這也導(dǎo)致其他存在金屬ECEs污染的區(qū)域,如電子廢物傾倒場[65]、交通發(fā)達(dá)的市區(qū)[66]等,仍未見相關(guān)研究報道。不論是體內(nèi)外實驗還是人群調(diào)查,多數(shù)針對于單一ECEs,但其排放情況是多種ECEs同時排放,其聯(lián)合健康效應(yīng)還有待探究。

迄今為止,ECEs的健康評估方法和標(biāo)準(zhǔn)仍未建立。為了比較和解釋研究數(shù)據(jù),需要制定ECEs統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)和指南,以便進(jìn)行環(huán)境和職業(yè)毒理學(xué)檢測[25]。此外,暴露評估及健康效應(yīng)評估也應(yīng)與時俱進(jìn),充分利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等技術(shù),識別早期生物標(biāo)志物,有助于建立暴露與疾病之間關(guān)聯(lián)的生物學(xué)合理性,并且可能為干預(yù)提供關(guān)鍵信息[67]。

3.2 ECEs可持續(xù)發(fā)展過程中面臨的健康挑戰(zhàn)

綠色能源是邁向“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵,為了綠色能源的可持續(xù)發(fā)展,意味著對ECEs的需求將越來越多。然而,全球ECEs的儲量有限,這就需要確保能夠從新的和多樣化的資源中獲取ECEs。然而,開發(fā)經(jīng)濟(jì)可行的加工方法仍然面臨著挑戰(zhàn)。一方面,永久性的基礎(chǔ)設(shè)施造價昂貴且建造難度較大;另一方面,因涉及到有害放射性產(chǎn)品,有毒化合物和有毒廢水的排放,ECEs的加工和開采會帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題[2]。此外,非法采礦活動對ECEs行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了重大的負(fù)面影響[68],由于缺乏對ECEs的有效監(jiān)管而產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境排放,它們還造成了ECEs的價格波動?；厥绽?、廢物轉(zhuǎn)化為能源和工業(yè)共生等技術(shù)能夠有效利用資源并最大限度地減少對環(huán)境的影響,目前只有少部分ECEs能夠以正式方式回收,許多資源并未充分發(fā)揮其潛力[69]。

對此,第一,可能采取的應(yīng)對措施包括推進(jìn)加工技術(shù)創(chuàng)新并減少碳排放量,探索替代材料,以減少對ECEs的依賴;第二,為ECEs制訂綜合利用計劃,以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的高需求[70];第三,需制定ECEs的回收法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),出臺相關(guān)政策鼓勵回收ECEs,并應(yīng)支持研發(fā)工作以解決ECEs回收率低的技術(shù)問題;第四,對于非法采礦活動應(yīng)予以嚴(yán)厲打擊,制定更嚴(yán)格的法規(guī)并提高執(zhí)法能力。

4 結(jié)論

現(xiàn)有研究主要從氧化應(yīng)激的角度解釋金屬ECEs所致神經(jīng)效應(yīng),但其深入的分子機(jī)制仍有待深入探索。此外,堅持可持續(xù)發(fā)展道路,發(fā)展綠色清潔能源,繼續(xù)在工作場所建立可靠的監(jiān)控系統(tǒng)或相關(guān)指南,重點關(guān)注ECEs的健康效應(yīng)及環(huán)境影響,以促進(jìn)新能源行業(yè)的產(chǎn)業(yè)工人健康、促進(jìn)相關(guān)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。關(guān)注“雙碳”背景下金屬ECEs暴露的健康效應(yīng),改善產(chǎn)業(yè)工人的職業(yè)安全和健康狀況,將進(jìn)一步推進(jìn)我國“雙碳”目標(biāo)的早日實現(xiàn)。