环境生物炭的来源有哪些方面(「EEH综述论文」探究新污染物环境健康的研究之路)

Posted 2023-06-02

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环境生物炭的来源有哪些方面(「EEH综述论文」探究新污染物环境健康的研究之路)

以下文章来源于Eco Environ Health ，作者李晓娜、王震宇

研究背景导读

新污染物是一类新发现或其环境问题新被关注的物质，具有可能引起显著的已知或可疑的毒性作用和健康危害、生物可累积性和环境持久性、目前尚未对其生产和环境排放加以控制、在环境中潜在存量高但对其污染源和汇及迁移特征缺乏认知、对其生态环境健康风险和毒性数据尚未全面评估等特征，因此，新污染物的危害通常是隐蔽的且不可估量的。探究新污染物的环境健康研究一直具有前瞻性和迫切性，是改变传统“先污染后治理”理念的关键。在污染物给生态环境和人类健康造成严重危害之前对其进行其安全性的评估。从源头到环境行为到人体健康效应再到管控的全链条研究才能保障安全性评估的客观性和准确性。那么，如何开展系统性基础研究是首要的科学问题。

人工纳米颗粒（ENMs）是典型的新污染物之一。随着纳米技术的飞速发展和纳米产业的升级换代，大量、多样的纳米材料被生产应用于军事、化工、医药和环境等多个领域，其在使用和废弃过程中产生大量的纳米污染物，造成直接或间接的环境健康风险。迄今为止，全球ENMs的年产量已超过240万吨。自2003年Science和Nature等国际权威期刊呼吁加强纳米污染物的环境效应研究，科学界对纳米污染物的关注已长达20余年。2010年美国环境保护署发表的新污染物事实清单中也明确提出了纳米污染物是一类重要的新污染物。在过去的20年里，ENMs的环境健康研究取得了巨大的进展，特别是在以下四个方面（图1）：1) ENMS的检测方法、环境来源和暴露风险；2) ENMs的环境行为；3) ENMs的生物毒性与机制；和4) ENMs的环境风险评估和管理。尽管如此，由于以往的研究存在明显的缺陷，ENMs的环境健康风险评估仍然面临挑战。例如，由于缺乏ENMs的痕量分析方法，导致了以往实验室研究中设定了较高的暴露浓度，这未能为ENMs的“真实”环境风险提供科学指导。且ENMs的毒性主要在遗传、细胞和个体水平上进行确定，缺乏生态和人体健康相关报道。此外，ENMs在环境中不可避免地会发生复杂的迁移转化行为，但其生物地球化学行为尚未被阐明。基于时间线的共现网络分析表明，包括氧化纳米颗粒、金属纳米颗粒和碳纳米管等在内的纳米污染物的环境健康研究贯穿了整个新污染物环境研究时间历程。因此，以ENMs为例，对其环境健康研究进行全面回顾，可为识别新污染物的环境行为和确定新污染物的环境健康风险和科学管控策略奠定基础。

图1 人工纳米颗粒在环境科学领域的相关研究关键词路径分析

文章内容概要

王震宇教授团队联合美国麻省大学阿默斯特分校邢宝山教授于Eco-Environment & Health期刊合作发表题为“Roadmap of Environmental Health Research on Emerging Contaminants: Inspiration from the Studies on Engineered Nanomaterials”的综述文章，通过总结ENMs的环境健康研究经验，为处于初始探索阶段的新污染物研究提供新启发和方法（图2）。ENMs作为最典型的新污染物之一，表现出有机和无机污染物的共同特性。针对新污染物面临1）环境存量与赋存状态未知、2）环境毒理学数据不足、和3）复杂的环境行为仍不清楚的研究现状，本文从ENMs研究历程中回答了如何开展新污染物的环境健康基础研究，获取客观、系统性数据来保障其环境健康风险评估的客观性和准确性，以指导其科学管控的科学问题。

图2 针对新污染的环境健康开展全链条研究

借鉴ENMs的环境健康研究中总结的经验教训，本文提出了一个关于新兴污染物的环境健康研究路线图（图3）：

1. 方法保障：开发先进的分析方法，以确定自然环境中出现的污染物

新污染物的最大特点之一是环境相关的赋存情况不清楚，且环境相关浓度低。准确检测不同环境中新污染物的来源和赋存情况，可为评估其环境健康风险和科学设计环境健康基础研究提供了保障。污染物的毒性取决于其结构特征和暴露浓度，并受复杂环境特性的影响。因此，与ENMs类似，可以根据特定的结构特征来检测新污染物的化学成分。新污染物的痕量浓度及与其他污染物或环境物质（如NOM）在自然环境中的共存给其分离、提取和富集带来挑战。因此，首先开发有效的预处理方法至关重要，这需要综合考虑目标污染物和环境基质的结构和组成特征。一种可行的研究策略是将各种预处理方法如结构修饰、选择性提取和目标污染物的功能膜过滤等相结合。同时，提高仪器的检测精度是未来确定新污染物研究的另一个关键方向。此外，大部分新污染物的标准物质尚缺乏。因此，应首先通过对质谱指纹进行反褶积和挖掘、与数据库中具有相似结构的化合物进行匹配以及基于广泛经验进行深度机器学习等方法来获得新污染物的可能结构特征，支撑其环境检测。如果使用仪器仍难以确定新污染物的环境相关浓度，我们建议结合环境经济学的筛选模型来推断自然环境中新污染物的发生。

2. 体系保证：开展由多种自然环境因素共同介导下环境相关浓度的新污染物的环境健康研究

目前对新污染物的研究通常使用高剂量暴露和模拟环境条件开展。尚未考虑到新污染物可能对环境的遗传进化和生态演替方面产生效应，这也使得相关研究发现远远不能反映自然环境中新污染物的环境健康效应，预测新污染物的毒性仍面临巨大挑战。因此，我们提出应建立一个全面可靠的研究系统，以获取连续数据，支持对新污染物进行客观的环境健康风险评估。在此，我们建议使用中宇宙模型生态系统来揭示新污染物在自然环境中的环境效应。在中宇宙生态系统中，同时引入了各种自然环境因素，包括自然光、环境介质和生物成分（例如，代表性的生物响应者），并在长期内描述其复杂的生物过程，以支持对其全生命周期的生物地球化学行为的客观评估。该系统不仅克服了传统实验室测定的可控缺点，还规避了自然生态系统中不可重复和不可预测的环境变化问题。如何建立一个具有自给自足和完整食物网络的合理生态系统，确保生态系统的连续性，并监测操作系统中的所有输入和输出参数，是构建中宇宙生态系统的首要任务和最大挑战。

3. 理论保证：建立全链条研究方法保障新污染物风险评估的客观性和准确性

不同研究中新污染物的暴露浓度和时间、模式生物以及实验因素的显著差异导致了这些研究结果的不一致性和不可比性。在这种情况下，提出了一种整体的全链条研究方法。具体而言，基于对环境样本的分析和后续建模，获得了新污染物的来源、轨迹、环境浓度和排放通量。这些结果用于指导新污染物的环境健康效应和生物地球化学过程研究中的暴露浓度、时段和途径等的设定。在新污染物的生物地球化学过程中，其特征如浓度、物种形成和生物利用度等均会动态变化，因此需要从所建立的中宇宙系统中捕捉到连续的数据来确定该时空异质性。对新污染的环境健康效应和相关机制的揭示为确定其毒性阈值，评估自然环境中新污染物的风险做出保障，相应地，所获得的风险评估结果应指导研究人员选择合适的指示生物或毒性目标获取毒理学基础数据。因此，从全链条研究的所有组成部分获得的结果是可验证的、可比较的和一致的，这将共同保障新污染物的科学管理政策和战略的提出。我们建议领域内研究人员使用标准化系统对新污染物的环境健康研究提出范式，所获得的数据通过线上大数据共享，以期提出新污染物的全球管控策略。还值得一提的是，有必要对化合物从原材料到产品以及处置过程的整个生命周期进行闭环管理，以提出新污染物风险控制的实用管理策略。在这种情况下，需要对不同生产环节的新污染物进行环境风险评估，并且迫切需要及时更新新污染物的清单，并为每种新污染物制定明确的管理协议。

如上所述，新兴污染物对环境健康的影响是复杂的。解决这些挑战的最可行和最有效的方法之一是在环境科学、材料科学、地球化学、生物学和医学领域的研究人员之间建立跨学科合作，以加深对新污染物的生物地球化学过程和和环境健康风险的科学理解。我们呼吁建立新污染物的研究范式和基准方法，为新污染物的风险管理和控制提供科学和理论支持。

图3 新污染物的环境健康研究-全链条研究范式

该论文第一作者和通讯作者分别为江南大学环境与土木工程学院李晓娜副研究员和王震宇教授。该研究得到国家自然科学基金(42192572、41820104009和 42107244)、江苏省自然科学基金（BK20210486）和USDA Hatch Program (MAS 00549)等项目的资助。

文章引用

X. Li, F. He, Z. Wang*, B. Xing, Roadmap of Environmental Health Research on Emerging Contaminants: Inspiration from the Studies on Engineered Nanomaterials, Eco-Environment & Health（Eco-Environ. Health）

https://doi.org/10.1016/j.eehl.2022.10.001.

第一作者简介

李晓娜，博士，副研究员，硕士生导师。毕业于中国科学院大学、中科院南京土壤研究所环境科学专业，于2021年3月加入江南大学环境与土木工程学院、环境过程与污染控制研究所。主要研究方向为污染物的植物根际环境行为与生物修复机制、人工纳米颗粒的环境迁移与转化，生物质资源的可再生利用等。近五年，以第一作者发表SCI论文14篇，主持国家及省级科研项目3项，曾获得博士研究生国家奖学金、中科院院长特别奖和唐立新奖学金等荣誉。

通信作者简介

王震宇，江南大学环境与土木工程学院教授，博士生导师，“国家杰出青年基金”获得者。现任江南大学环境与土木工程学院院长、江南大学环境过程与污染控制研究所所长。长期从事污染物环境地球化学、纳米农业调控技术、生物炭的环境应用等方面的研究。主持国家自然科学基金重大项目、杰出青年基金、国家自然科学基金国际合作重点项目、国家自然科学基金重点项目、国家973计划项目课题、国家基础性工作专项等国家级课题10余项。近五年发表SCI论文150余篇，其中ESI高被引论文10篇，入选科睿唯安全球高被引科学家（2019、2020、2021、2022）和爱思唯尔中国高被引学者（2020）。荣获2019年度教育部自然科学奖一等奖（排名第一），江苏省高校科技创新团队带头人、无锡市“太湖人才”创新团队带头人、无锡市“十大科技人物”。现任SCI期刊Applied Geochemistry副主编、Journal of Nanobiotechnology编委，中国环境科学学会地学分会副主任委员、中国工程咨询协会生态环境专业委员会委员、中国土壤学会土壤化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源持续利用与减灾专业委员会委员。

撰稿：李晓娜（江南大学）