曹燕, 胡双庆, 沈根祥 , 张洪昌, 朱英
上海市环境科学研究院,国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室,上海 200233
溴代阻燃剂(brominated flame retardants, BFRs)因阻燃性能高、添加量少、稳定性好等特点近年来被广泛添加于各种生活用品和工业产品中,在生产、使用和废弃等过程中易释放进入环境中。 而相当一部分BFRs 已经被证明具有持久性、远距离迁移性和生物富集性,因此近年来在空气、地表水、底泥和污水处理厂等环境介质及鱼、血液、母乳等生物体中BFRs 被广泛检出[1-4]。 同时,BFRs 污染和暴露引起的生态环境和人体健康风险已成为国内外研究的热点。 毒理学和流行病学研究表明,BFRs 对生物体的神经系统、内分泌系统、肝脏和生殖发育等均有毒性效应[5-8],典型BFRs 如多溴联苯醚(PBDEs)对雄性生殖系统、儿童神经发育均会产生不利影响[9-11]。因此,随着对BFRs 环境健康风险研究和认识的深入,国际上开始逐步对该类物质进行科学化的风险管控,部分传统BFRs 如五溴联苯醚、八溴联苯醚和十溴联苯醚已被禁止或限制使用[12-13];但同时一些新型溴代阻燃剂如2-乙基己基-四溴苯甲酸(TBB)和2,3,4,5-四溴-苯二羧酸双(2-乙基己基)酯(TBPH)作为传统溴代阻燃剂的替代品相继被生产和广泛使用,同样可能对生态环境和人类健康产生潜在的风险[14]。
尽管溴代阻燃剂生态环境与健康风险受到广泛关注,但综述类文章较少[15],缺乏科学的文献计量分析,对该领域研究主题和热点演变等认知存在一定的局限性。 本文基于文献计量方法,借助CiteSpace文献计量与可视化分析软件,图谱量化国内外发表的溴代阻燃剂生态环境与健康风险相关研究,挖掘分析近年溴代阻燃剂生态环境与健康风险研究的发展趋势、优势团队、期刊载体、前沿热点、知识聚类和演进脉络等,评述目前国内外该领域的研究进展与主要研究内容,为溴代阻燃剂的风险防控提供借鉴。
为综合反映近年来国际与国内溴代阻燃剂生态环境与健康风险研究进展,本研究选取Web of Science (WOS)核心合集数据库和中国知网(CNKI)核心论文数据库中的文献源。
对于外文数据,利用主题检索获取WOS 数据库中代表该领域主要研究成果的核心数据集。 主题检索词为:TS=((“brominated flame retardant* ” or* BFRs)and (environment* or occurrence or concentration or level or distribution or pollut* or contaminat* or toxic* or ecotoxic* or effect or expos* or health risk* )),时间跨度选择2000—2021,检索时间为2021年9月2日。 从原始记录中选取研究性论文(article)作为有效数据,对重复文献和无效文献进行筛选,获得包含5 080 篇文献的核心数据集。
对于中文数据,在CNKI 中选用高级检索方式,以“主题=(溴代阻燃剂+溴系阻燃剂+溴化阻燃剂)* (环境+暴露+毒性+健康+风险)”进行检索,时间选取同 WOS 数据库一致,为2000—2021年,检索时间为2021年9月2日,从原始记录中选取学术期刊论文作为有效数据,对重复文献和无效文献进行筛选,最终确定103 篇相关文献。
借助CiteSpace 软件对 WOS 和 CNKI 的检索数据进行可视化分析。 CiteSpace 是一款在科学计量学中进行数据和信息可视化分析的软件,通过多元、分时、动态的引文分析呈现科学知识的结构、规律和分布情况,形成可视化的科学知识图谱[16]。 目前CiteSpace 已在文献计量分析领域得到广泛应用[17-19]。
本研究以溴代阻燃剂生态环境与健康风险为主题,通过发文量统计、期刊双图叠加分析探讨领域内论文的发展进程与分布特征;通过研究国家和机构的合作网络图谱,揭示该领域全球的研究力量分布和合作关系;通过关键词突现分析揭示不同发展阶段的研究热点;通过共被引网络的聚类分析提炼主要研究主题,并通过时间线图剖析研究主题演化过程,为科学把握研究热点和前沿提供定量依据。
从WOS 和CNKI 检索得到的数据集获得国内外溴代阻燃剂生态环境与健康风险领域研究的年度发文量(图1)。 总体来看,国内外关于溴代阻燃剂生态环境与健康风险的研究文献数量整体呈上升态势,但中文论文发文数量远低于英文论文发文数量。
图1 2000—2020年该领域研究发文量注:WOS 表示Web of Science,CNKI 表示中国知网。Fig.1 Research papers published in this field from 2000 to 2020Note: WOS stands for Web of Science, and CNKI stands for China National Knowledge Infrastructure.
从年份上看,2003年以来中文论文发文量整体呈现波动式增长,年发文量均低于10 篇。 英文论文数量在2000—2008年呈现激增趋势,年均增长率超100%;2008年后该领域研究进入平稳增长期,年发文量平均增幅为5%左右,但从发文量来看,该阶段年发文量均在200 篇以上,其中2016年达到了该领域年发文量的第一个高峰,发文量达386 篇,内容涵盖溴代阻燃剂在环境和人体中的检出环境分布与归趋、人群暴露评估、生态毒理效应等的相关研究;近几年该领域仍保持较高的热度,年均发文量达355篇。 通过该领域研究发表趋势可以看出,近年来溴代阻燃剂生态环境与健康风险相关研究成为国际上的热门领域,学术影响力不断增强。
学术期刊是科研成果展示的重要平台和载体。从刊载期刊来看,中文论文期刊分布较为分散,多发表于环境化学和生态毒理领域的期刊,英文论文发表期刊多集中于环境科学、环境健康和生态毒理学等领域。 表1 罗列了2000—2021年载文量及引用量前10 位英文期刊,这些期刊构成了溴代阻燃剂生态环境与健康风险研究的重要载体和知识来源。
表1 载文量及引用量前10 位外文期刊Table 1 Top 10 journals of papers amount and citations
使用CiteSpace 软件进行期刊双图叠加图谱分析,能展示各学科文献分布、引文轨迹等,进而研究期刊间的信息传递及知识发展脉络,揭示传播规律[20]。 图2 为本研究领域的期刊双图叠加图谱,左侧是施引文献期刊学科领域,代表应用研究领域;右侧是被引文献期刊学科领域,代表基础研究领域。图2 中椭圆的纵轴长度与期刊刊载的论文数量成正比,其横轴长度与发文作者数量成正比;中间连线表示在某领域内施引文献期刊与被引文献期刊的联系,其粗细疏密程度代表期刊间知识流动频率及强度关系。 可以看出,图谱中有3个系列共7 条显著联系的连线,由“物理学、材料科学和化学”“兽医学、动物学和科学”“分子学、生物学和免疫学”分别指向“环境、毒理学和营养学”“化学、材料科学和物理学”“分子学、生物学和遗传学”;且“环境、毒理学和营养学”椭圆纵横尺度大,说明该领域论文数量和作者数量占优势。 通过期刊双图叠加分析可以看出,本领域的研究跨环境科学、毒理学、化学、生物学和动物学等学科,多学科交叉融合,并且以环境科学、毒理学、化学和生物学为基础学科向更广泛的科学领域拓展,具有较大的发展潜力。
图2 期刊双图叠加知识图谱Fig.2 Knowledge map of periodical double graph superposition
采用WOS 的检索结果分析功能,对WOS 数据进行发表论文的学科类别分析。 根据WOS 类别,溴代阻燃剂生态环境与健康风险研究的文献主要集中在环境科学领域,其次为毒理学、环境工程、化学分析、公共健康与职业健康等(图3),表明该领域为多学科共同关注的研究主题。
图3 论文学科类别分布Fig.3 Subject category distribution of the papers
基于WOS 数据对文献作者、研究机构和国家合作网络的共现分析能识别研究领域内权威机构和学者,并体现各国的发展情况和合作紧密程度。CiteSpace 中,中心性(centrality)是测度节点在网络中重要性的一个指标,其值越大表明影响力越大,在推动该领域国际研究合作中的支点作用越强,相应的在图谱中对该类文献(或作者、机构和国家等)用紫色圈进行标注;此外,在研究力量合作共现图谱中,节点年轮大小代表发文数量,连线粗细表示合作的紧密程度[21]。
根据国家合作共现图谱和相关数据(图4)可得出,发文量前5 位的国家依次为:中国、美国、加拿大、瑞典和日本。 中心性前5 位的国家依次为:英国、美国、法国、意大利和加拿大。 根据机构合作共现图谱(图5),发文量前5 位的机构依次为:中国科学院、中国科学院大学、加拿大环境部、安特卫普大学和斯德哥尔摩大学,中心性前5 位的机构依次为:中国科学院、加拿大环境部、安特卫普大学、斯德哥尔摩大学和美国环境保护局。 从国家层面来看,美国在本研究领域表现突出,在发文量和影响力上都排名领先;我国虽然在发文量上排名首位且占据显著优势,但中心性低于美国和加拿大等国家,表明我国在该领域综合影响力还有待提高。 从机构层面来看,我国研究机构在该领域成果产出方面在国际上表现突出,尤其是中国科学院发文量和中心性指数均排名首位,在本研究领域综合影响力较高;而发文量排名靠前的加拿大环境部、安特卫普大学和斯德哥尔摩大学在影响力上同样排名领先,表明该领域受到了全球普遍关注且存在较好的国际合作基础。
图4 国家合作共现图谱Fig.4 Network of country cooperation
图5 国际机构合作共现图谱Fig.5 Network of institutional cooperation
根据作者合作共现图谱(图6)和相关数据,该领域Adrian Covaci(安特卫普大学毒理学中心)、麦碧娴(中国科学院广州地球化学研究所)和罗孝俊(中国科学院广州地球化学研究所)3 位研究者成果产出位居前列,发文数量均超过了40 篇,且Adrian Covaci 和麦碧娴的研究成果被广泛引用(被引频次>100),且中心性也较高(centrality>0.08),表明其对溴代阻燃剂生态环境与健康风险领域的研究起到了重要的支撑和引领作用。
关键词是展现论文研究主题和内容的核心词汇,其出现频率可以反映出该领域的研究热点。 使用CiteSpace 分别对CNKI 和WOS 文献数据的关键词进行分析,设置时间跨度为2000—2021年,单个时间分区长度为1 a,节点类型选择关键词,提取每个时区中被引频次最高的50个关键词,生成关键词图谱(图 7 和图 8)。
图7 CNKI 数据文献关键词共现图谱Fig.7 Network of key words coexistence based on CNKI data
图8 WOS 数据文献关键词共现图谱Fig.8 Network of key words coexistence based on WOS data
可以看出对于CNKI 数据,“光转化”是网络中最大的1个节点,出现频次达22 次;其次为“阻燃剂”“电子垃圾”“毒性”“污染现状”等。 对于WOS数据,“溴代阻燃剂 brominated flame retardant”“多溴联苯醚polybrominated diphenyl ether”是网络中最大的2个节点,出现频次分别达到3 343 和2 550次;其次为“多氯联苯 polychlorinated biphenyl”“暴露exposure”“环境 environment”等,出现频次均在400 次以上;其他有代表性的关键词包括“持久性有机污染物persistent organic pollutant”“十溴联苯醚decabromodiphenyl ether”“鱼类 fish”“体外in vitro”“沉积物 sediment”“六溴环十二烷 hexabromocyclododecane”“母乳 breast milk”等。 可以看出,英文关键词的代表性较好,主要集中在代表性的溴代阻燃剂、溴代阻燃剂污染的环境介质和环境影响3个方面。
结合关键词分析可知,多溴联苯醚(PBDEs)尤其是十溴联苯醚(BDE-209)以及六溴环十二烷(HBCD)属于高关注溴代阻燃剂;溴代阻燃剂在环境介质(空气、室内尘和沉积物等)、生物体(鱼类等)和人体(母乳、血清等)中的检出和分布是研究热点;且溴代阻燃剂污染的时空分布趋势、人体暴露评估、毒性效应研究和风险评估等也是该领域的重点关注内容。 以我国研究为例,林海涛等[22]分析了我国东、西部地区8个城市的大气气相和颗粒相样品,发现大型城市大气中PBDEs 浓度较高,并且城市婴幼儿的吸入暴露量约为成人的2 倍~3 倍。 Pei 等[23]对黄河干湿两季水体、悬浮颗粒物和沉积物样品中14 种PBDE同系物进行测定,发现主要检出物为BDE-209,贡献率为44.6% ~90.3%,且PBDEs 在长江中下游的浓度高于上游。 Sun 等[24]在华南地区7个采样点采集了鸟类标本并进行了4 类溴代阻燃剂测定和地理分布研究,发现PBDEs 与电子废物回收、当地工业活动以及城市化有关,多溴联苯PBB153 来源于电子垃圾,十溴二苯乙烷(DBDPE)主要来源于当地的产业活动,五溴甲苯(PBT)未见具体来源。 Gong 等[25]研究发现四溴双酚A (TBBPA)在黄海和渤海的表层海水和浮游动物样品中广泛存在,生物积累因子和风险商计算结果表明,TBBPA 在海洋生态系统中的显著生物积累及其潜在的生态风险不容忽视。 Liang 等[26]采集了浙江省温岭市电子垃圾处理厂和城市地区人群的头发样本和配对血清样本,发现电子垃圾处理工人的头发和血清中PBDE 和DBDPE 浓度显著高于非职业居民和城市居民。 同样值得关注的是,多氯联苯和典型溴代阻燃剂如多溴联苯醚作为电子电器拆解和处置过程中最常见的两大类污染物,相关关键词常在现有研究中同时出现,研究内容涉及2 类污染物的环境赋存、污染溯源和人群暴露等[27-29]。
通过对研究前沿热点的识别和追踪,可以掌握领域内研究主题、研究方法和研究视角等的演化动态,进而预测研究领域的发展方向。 对于研究领域趋势分析,CiteSpace 提供了对突变词(burst words)的探测技术,即通过探测在某一时间段内被引频次或共现频次突现度增加的节点来预测领域内的研究方向[16]。 本研究在上述关键词分析的同时,通过对WOS 数据进行关键词突现分析来展现研究领域的发展趋势和热点特征,筛选得到频次突现强度最高的25个关键词(图9)。 从突变性关键词来看,该领域研究涉及面广泛,不同时期出现了不同的突变性关键词。 从时间上看,该领域研究分为以下3个阶段。
图9 文献突变性关键词Fig.9 Top 25 keywords with the strongest citation bursts
(1)2001年开始出现突现关键词,包括“鱼类fish”“母乳 human milk”“血液 blood”“沉积物 sediment”“污染(物)contaminant/pollutant”等。 该阶段突现词共10个,平均时间跨度6 a,对所有突现词的突现强度求平均值得到平均突现性为13.77。 从关键词的数量、持续时间和突现强度来看,溴代阻燃剂生态环境与健康风险相关的研究从2001年起已成为国际研究热点;从关键词反映的内容来看,该领域研究初期以溴代阻燃剂的环境赋存和污染检测为主,涵盖环境介质、生物体和人体样本,也从侧面反映了溴代阻燃剂污染的广泛存在。 如Schecter 等[30]分析了美国47个母乳样本中13 种多溴联苯醚同系物的水平,发现美国2个州哺乳母亲的母乳中多溴联苯醚的含量比欧洲人群高出10 倍~100 倍。 此外,由“biphenyl”“dibenzofuran”“2”(如2,2’,4,4’,5-pentabromodiphenyl ether)这3个突变性关键词可以推测出该阶段部分典型的溴代阻燃剂及其反应产物受到了高度关注,如多溴联苯醚和多溴代二苯并呋喃。
(2)2005—2012年突现词数量和强度略有下降,表明该领域研究进入平稳发展期。 该阶段突现词数量为5,平均时间跨度5 a,平均突现性10.42。 代表性关键词包括“时间趋势temporal trend”“自发行为spontaneous behavior”“发育暴露 developmental exposure”等,表明此阶段对溴代阻燃剂的环境赋存相关领域进行了拓展性研究,关注其污染的时空分布等;且溴代阻燃剂的毒理学和流行病学研究开始成为领域热点方向。 如Tseng 等[31]以雄性小鼠为研究对象评估了BDE-209 的生殖毒性,发现雄性小鼠出生后暴露于BDE-209 可导致附睾精子功能下降。Herbstman 等[32]进行的一项纵向队列研究分析了纽约210 份脐带血标本中的多溴联苯醚同系物,并评估了其对12 ~48月和72月龄儿童的神经发育影响,发现脐血多溴联苯醚浓度对神经发育有显著的不利影响。
(3)2012年以来,突现词数量增多,突现强度增大,表明该领域研究热度进一步提升,继续成为研究热点。 这一方面与该领域相关学科尤其是生态毒理学等交叉学科的快速发展有关;另一方面,近年来随着对传统溴代阻燃剂的风险管控,对其替代品尤其是新型溴代阻燃剂的研究成为新的热点。 该阶段突现词数量为10,平均时间跨度5 a,平均突现性13.36。 其中“风险评估 risk assessment”“毒性 toxicity”“室内尘土indoor dust”突现强度最大,说明对溴代阻燃剂的研究延伸到更为综合的风险评估,且对其毒性和暴露的研究仍是近年来的研究热点。 如Zheng 等[33]对广东省3个电子垃圾回收地区5个村庄室内灰尘中4 类阻燃剂和多氯联苯进行了监测,并进行了人体暴露评估,指出应重点关注当地新型溴代阻燃剂的公众健康风险。 此外,“重金属heavy metal”“动力学 kinetics”“空间分布 spatial distribution”“废品回收站waste recycling site”“特定对映体累积enantiomer specific accumulation”等突现词的出现,说明近年来溴代阻燃剂生态环境与健康风险相关的研究趋于细化和深入化,研究内容涉及溴代阻燃剂污染的空间大尺度研究、污染溯源和复合污染研究以及多种典型污染物和对映体污染及风险差异性研究等,表明该领域研究进入纵深发展期,涌现出大量的综合性前沿性研究。 如Li 等[34]首次对亚洲5个国家土壤样品中19 种新型溴代阻燃剂进行了全面调查,发现∑PBDEs 构成与使用现状一致,并首次证明了新型溴代阻燃剂和多溴联苯醚的“点源分馏效应”。
共被引分析(co-citation analysis)是指2 篇文献共同出现在了第3 篇施引文献的参考文献目录中,则这2 篇文献形成共被引关系,通过对1个文献空间数据集合进行文献共被引关系的挖掘过程,就是文献的共被引分析[16]。 通过文献共被引网络的聚类分析,可以获得该研究领域的知识基础,揭示每个阶段知识主题的变化,对于理解该领域核心研究内容具有重要启示。
在CiteSpace 中设置时间跨度为 2000—2021年,单个时间分区长度为1 a,节点类型选择reference,运行软件后进行聚类分析,最后得到1 766个节点、10 531 条连线的文献共被引网络图谱。 通过文献共被引的聚类分析得到65个聚类,模块值Q=0.6695,平均轮廓值S=0.8715,表明聚类结果是显著且可靠的。 筛选出引文数量>50 的10个聚类群组,并汇总这些群组所包含的共被引文献数量和平均引用年份,如表2 所示。
表2 群组所含文献数量和引用年份Table 2 Paper amount and citation year of clusters
为进一步阐释研究主题随时间的演进,本研究绘制了共被引网络的时间线图(图10),以阐明各研究主题(群组)的发展时段及重要文献的时间节点。通过对这些聚类标签的进一步分析,可以归类为3个方面的研究内容:(1)围绕典型溴代阻燃剂及其替代品的研究,包含“五溴二苯醚5-pentabromodiphenyl ether”“有机磷酸酯 organophosphate ester”“六溴环十二烷非对映异构体hexabromocyclododecane diastereoisomer”“十溴联苯醚 decabromodiphenyl ether”等显著聚类,共包括1 015 篇被引文献,主要侧重于对多溴联苯醚、六溴环十二烷等使用量大的传统溴代阻燃剂及溴代阻燃剂主要的替代品如有机磷酸酯进行研究;(2)溴代阻燃剂的毒性效应包括毒性剂量和效应终点等的研究,反映在图谱中的“甲状腺激素 thyroid hormone”“生理终点 physiological endpoint”“亚致死剂量 sub-lethal doses”3个聚类,共包括431 篇被引文献节点;(3)溴代阻燃剂污染的环境介质和来源研究,反映在图谱中的“母乳breast milk”“电子设备 electronic equipment”2个聚类,共包括237 篇被引文献节点。
图10 文献共被引网络10个主要聚类群组的时间线图Fig.10 Timeline visualization of 10 principal clusters of article co-citation network
从时间上看,总体演变可以分为初期快速发展、中期拓展发展及后期纵深发展3个阶段。 在初期发展阶段(2006年以前),研究主题集中于多溴联苯醚这一典型溴化阻燃剂,尤其是工业领域广泛使用的五溴二苯醚和十溴联苯醚这2 种同系物。 其中五溴二苯醚相关研究主题从1995年持续到2008年,这与该物质在2009年被列入斯德哥尔摩公约受控名单且多国在此前已禁止其生产使用有关;而对十溴联苯醚的禁用和限制在五溴二苯醚后,其相关主题持续到2013年。 该阶段的高被引研究有Hites 采用meta 分析方法对PBDEs 在全球环境和人体中的浓度进行了统计,并从相对浓度、浓度趋势和同系物分布等方面对检测数据进行了分析[35];Ikonomou 等[36]对 1981年、1991年、1996年和 2000年在加拿大北极地区捕获的环斑海豹鲸脂中所含的37个PBDE同系物进行了测定,发现北极环斑海豹体内的PBDEs 浓度呈指数增长,与全球五溴二苯醚商业产量相似。 此后,研究进入中期发展阶段(2006—2013年),研究主题分布于溴代阻燃剂人体检出(如母乳检出)和暴露评估、对人体的毒性效应(如影响甲状腺激素)等方面,尤其是Wu 等[37]2007年发表的母乳中溴代阻燃剂含量与饮食和室内灰尘关联性的研究引用量达109 次,该研究发现母乳中PBDEs 浓度与室内灰尘和饮食习惯尤其是乳制品的摄入存在显著正相关;且此阶段六溴环十二烷异构体也是重点关注的研究方向,其关注度在2003—2017年持续较高。 如Covaci 和Marvin 团队在此主题有较重要成果发表[38-39]。 2013年以后研究进入多样化和纵深发展阶段,研究主题涵盖溴代阻燃剂污染源头、毒性剂量、效应终点和典型替代品等,体现出近年来对溴代阻燃剂的研究实现了从污染溯源到环境影响再到解决方案的闭环,研究广度和深度都有所提升。 有代表性的典型研究如Wang 等[40]首次同时测定了中国室内灰尘样品中3 种传统溴代阻燃剂和6 种新型溴代阻燃剂浓度,并进行了人体暴露评估,推测出中国溴代阻燃剂的消费模式可能已经从PBDEs 向非PBDEs 转变。 在时间跨度上,“六溴环十二烷”和“十溴联苯醚”相关研究主题在不同阶段的持续时间均长达15 a,共310 篇引文,可见领域内对该2 种典型溴代阻燃剂有广泛和长期的研究。
本研究应用文献计量学方法,借助CiteSpace 软件的合作网络分析、期刊双图叠加分析、关键词突现分析、文献共被引分析和主题聚类等功能,对检索得到的溴代阻燃剂生态环境与健康风险研究相关文献从论文发表趋势、分布、研究力量、研究热点、主题及演化趋势等方面进行了深入分析,研究结果展现出近年来溴代阻燃剂生态环境与健康风险研究领域的高关注度和良好发展态势,并得出如下结论。
(1)随着对溴代阻燃剂生态环境与健康风险的持续高关注,近年来该领域内研究呈现出发文量高速增长的趋势,学术影响力逐渐增强;且涉及多学科交叉融合,具有较大的发展潜力,刊载期刊也偏向多学科交融。
(2)在研究力量方面,该领域受到了全球普遍关注且存在较好的国际合作基础,核心研究者对该领域研究和发展起到重要的支撑和引领作用,我国和美国在该领域成果产出方面在国际上表现突出,但我国在该领域综合影响力仍有一定的提升空间。
(3)该领域研究热点和主题趋向多学科性和综合性,研究热点集中在高关注溴代阻燃剂及其在环境中的检出和分布,以及溴代阻燃剂污染的时空分布趋势、人体暴露评估、毒性效应研究和风险评估等方面;且近年来研究主题从早期的高关注污染物环境赋存研究向全方位的污染溯源、健康效应和风险管理等领域演化。 因此,在溴代阻燃剂大量使用和广泛暴露的背景下,亟需开展对该类新污染物尤其是新型溴代阻燃剂及其替代品环境健康风险评估的研究。