“雙碳”背景下能源關鍵元素暴露的神經效應研究進展

崔佳璟 李希涵 陳漢清 陳 瑞 李曉波*

(1.首都醫科大學 公共衛生學院 勞動衛生與環境衛生學系,北京 100069;2.首都醫科大學 公共衛生學院 預防醫學系,北京 100069;3.首都醫科大學 公共衛生學院 營養與食品衛生學系,北京 100069;4.首都醫科大學 公共衛生學院 衛生毒理與衛生化學系,北京 100069)

2015年第21屆聯合國氣候變化大會通過的《巴黎協定》(The 21thConference of the Parties,COP21)是旨在應對氣候變化的重要國際協定之一。中國在應對氣候變化的行動中展現大國擔當;此外,日益嚴峻的生態環境問題要求我國的發展模式向可持續發展模式轉變。基于這兩方面背景,2020年9月,我國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標,即“雙碳”目標[1]。

為了貫徹落實“雙碳”目標,關鍵途徑之一是推動綠色能源發展。擴大現代綠色技術和先進技術的使用,對能源關鍵材料的需求有所增加,這其中能源關鍵元素(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。本文主要關注其中的金屬元素。

隨著金屬ECEs在綠色能源產業中的應用增加,其帶來的環境影響和健康效應日益受到關注。與金屬ECEs暴露相關的健康影響包括甲狀腺及腎臟功能損害[4],神經、心血管和內分泌缺陷[5],銦肺病和致癌性[6],腎源性系統性纖維化,神經系統功能失調,纖維化組織損傷,氧化應激,塵肺,細胞毒性[7],男性DNA損傷及染色體畸變[8]等。然而,關于人類健康影響,特別是關于金屬ECEs長期暴露的健康效應及其作用機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的所有金屬元素進行標題搜索,在標題、摘要和關鍵詞中搜索描述ECEs及REE對人類和環境健康影響的相關術語的組合作為主題搜索,標題檢索與主題檢索相結合,將時間范圍控制在2014～2023年,在WOS共檢索到16 076篇文獻。發現金屬ECEs可能造成多個系統損傷,如神經系統、心血管系統、泌尿系統、免疫系統、呼吸系統等,其中神經系統損傷的研究最為廣泛,故本文主要對金屬ECEs的神經效應進行綜述。

1 金屬ECEs暴露場景和途徑

ECEs中的金屬元素主要被應用于以下綠色能源領域:1)鋰——電動汽車的可充電電池[9];2)鈷——鋰離子電池負極中的鈷納米材料[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中高強度輕質合金[15];8)鏑——風力渦輪機和電動汽車[16];9)鈰——鋰離子電池、鎳氫電池[12];10)鋱——風力渦輪機、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暴露。職業工人在金屬ECEs的開采、加工及回收過程中均存在暴露風險。開采加工金屬ECEs與人類健康風險升高有關,這些風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[19]。據報道,在ECEs開采過程中,蔬菜[20]、土壤[21]和街道灰塵[22]中ECEs含量較對照區域升高,表明礦區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鍵步驟。首先,在收集過程中,由于廢物破損,有害物質可能泄漏到大氣中,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生揮發性有機化合物(Volatile organic compounds,VOC)和粉塵,產生的粉塵可能含有各種金屬物質,包括ECEs[24],也會通過呼吸道進入人體。總之,使用不當的方法處理電子廢物,會增加健康有害物質的暴露,污染物可以通過吸收、攝入和皮膚接觸進入人體,之后會在血液、大腦和骨骼中積聚[25],導致各種有害影響[26]。

2 金屬ECEs的神經毒性效應和機制

2.1 人群研究證據和機制

對金屬ECEs所致神經毒性效應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,長期攝入低劑量的REE會降低人體中樞神經系統信號傳導速度[27]。生活在稀土礦區的兒童平均智商、學習和記憶能力均低于生活在非稀土礦區的同齡人[28]。

與其他ECEs不同,鋰對神經系統既有保護作用又有毒性作用,這與其暴露劑量有關。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知功能具有保護作用[29]。人體急性鋰中毒通常導致輕度神經毒性[30],而這種毒性作用在鋰清除后是可逆的。鋰暴露引起的神經系統慢性蓄積作用,最常見的特征是長期譫妄,其次是小腦震顫、共濟失調和錐體外系反射亢進、構音障礙、強直和陣攣[31]。“不可逆鋰效應神經毒性綜合征(Syndrome of irreversible lithium-effectuated neurotoxicity,SILENT)”是鋰中毒的后遺癥之一,其生物學機制尚不明確,但推測其原因可能是鋰引起的神經系統多個部位(包括小腦)的脫髓鞘[32]。一些研究表明,鈷顆粒可以沿著神經元軸突和樹突遷移,并進入中樞神經系統和神經節,最終引起神經毒性作用[33]。還有報道稱,吸入鈷納米顆粒會導致工人記憶缺陷[34],但其機制尚不明確。

2.2 體內及體外模型研究和機制探討

相較于人群研究,金屬ECEs對細胞等體內外生物模型的神經毒性效應的研究相對較多,這對于確定各金屬ECEs對人類神經系統潛在的作用方式及結果非常重要。表1總結了金屬ECEs對體內模型的神經毒性作用及潛在機制。體內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。急性暴露時長為數小時,慢性暴露可長達15周。這些研究所闡述的金屬ECEs的毒性作用機制集中在氧化應激、線粒體功能障礙、神經遞質系統紊亂、海馬體中信號通路改變等,最終導致神經元、海馬體、腦組織損傷,動物神經系統發育不良,學習及記憶功能障礙。

表1 體內模型金屬ECEs神經毒性研究

進一步探索體外模型中金屬ECEs對各種細胞的神經毒性發現,盡管鋰在治療過程中有效濃度和過量濃度下對人神經系統的作用截然不同[54],但有趣的是,絕大多數研究關注鋰的神經保護作用,針對其有害作用的研究數量十分有限。表2總結了金屬ECEs對體外模型的神經毒性作用,其暴露途徑均為培養基孵育,使用的細胞株主要為大鼠來源的PC12細胞和人源SH-SY5Y細胞這兩種常見的神經細胞。此外,微電極陣列神經芯片上生長的初級皮質網絡被用于評估鑭的急性神經毒理學作用,其優勢是可以保持自發活性和藥理學反應超過一年[55],可以將此項技術推廣應用于其他金屬ECEs的毒理學研究。氧化應激依然是體外模型中ECEs神經效應的主要作用機制,Ca2+介導的信號轉導通路有較多報道。毒性表型主要體現在細胞凋亡及損傷方面,這均體現了ECEs可能誘導神經毒性的作用。

表2 體外模型金屬ECEs神經毒性研究

金屬ECEs暴露途徑及神經效應研究進展如圖1所示。

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

3 展望和挑戰

3.1 ECEs健康效應研究的挑戰和限制

由于暴露于金屬ECEs的人群水平研究數量較少,探究金屬ECEs對人類健康效應的影響主要依賴于已發表的體內外實驗數據以及在金屬ECEs礦區開展的人群調查,這也導致其他存在金屬ECEs污染的區域,如電子廢物傾倒場[65]、交通發達的市區[66]等,仍未見相關研究報道。不論是體內外實驗還是人群調查,多數針對于單一ECEs,但其排放情況是多種ECEs同時排放,其聯合健康效應還有待探究。

迄今為止,ECEs的健康評估方法和標準仍未建立。為了比較和解釋研究數據,需要制定ECEs統一的檢測標準和指南,以便進行環境和職業毒理學檢測[25]。此外,暴露評估及健康效應評估也應與時俱進,充分利用轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等技術,識別早期生物標志物,有助于建立暴露與疾病之間關聯的生物學合理性,并且可能為干預提供關鍵信息[67]。

3.2 ECEs可持續發展過程中面臨的健康挑戰

綠色能源是邁向“雙碳”目標的關鍵,為了綠色能源的可持續發展,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,開發經濟可行的加工方法仍然面臨著挑戰。一方面,永久性的基礎設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重的環境問題[2]。此外,非法采礦活動對ECEs行業的可持續發展產生了重大的負面影響[68],由于缺乏對ECEs的有效監管而產生了嚴重的環境排放,它們還造成了ECEs的價格波動。回收利用、廢物轉化為能源和工業共生等技術能夠有效利用資源并最大限度地減少對環境的影響,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揮其潛力[69]。

對此,第一,可能采取的應對措施包括推進加工技術創新并減少碳排放量,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,以滿足不同應用領域的高需求[70];第三,需制定ECEs的回收法規和標準,出臺相關政策鼓勵回收ECEs,并應支持研發工作以解決ECEs回收率低的技術問題;第四,對于非法采礦活動應予以嚴厲打擊,制定更嚴格的法規并提高執法能力。

4 結論

現有研究主要從氧化應激的角度解釋金屬ECEs所致神經效應,但其深入的分子機制仍有待深入探索。此外,堅持可持續發展道路,發展綠色清潔能源,繼續在工作場所建立可靠的監控系統或相關指南,重點關注ECEs的健康效應及環境影響,以促進新能源行業的產業工人健康、促進相關行業可持續發展。關注“雙碳”背景下金屬ECEs暴露的健康效應,改善產業工人的職業安全和健康狀況,將進一步推進我國“雙碳”目標的早日實現。