“双碳”背景下能源关键元素暴露的神经效应研究进展

崔佳璟 李希涵 陈汉清 陈 瑞 李晓波*

(1.首都医科大学 公共卫生学院 劳动卫生与环境卫生学系,北京 100069;2.首都医科大学 公共卫生学院 预防医学系,北京 100069;3.首都医科大学 公共卫生学院 营养与食品卫生学系,北京 100069;4.首都医科大学 公共卫生学院 卫生毒理与卫生化学系,北京 100069)

2015年第21届联合国气候变化大会通过的《巴黎协定》(The 21thConference of the Parties,COP21)是旨在应对气候变化的重要国际协定之一。中国在应对气候变化的行动中展现大国担当;此外,日益严峻的生态环境问题要求我国的发展模式向可持续发展模式转变。基于这两方面背景,2020年9月,我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标,即“双碳”目标[1]。

为了贯彻落实“双碳”目标,关键途径之一是推动绿色能源发展。扩大现代绿色技术和先进技术的使用,对能源关键材料的需求有所增加,这其中能源关键元素(Energy-critical elements,ECEs)起到重要作用[2]。ECEs包含17种稀土元素(Rare earth elements,REE),即15种镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)[3]和两种与镧系元素性质十分相似的元素——钇(Y)和钪(Sc);此外还包括锂(Li)、钴(Co)、硒(Se)、硅(Si)、碲(Te)、铟(In)等元素。本文主要关注其中的金属元素。

随着金属ECEs在绿色能源产业中的应用增加,其带来的环境影响和健康效应日益受到关注。与金属ECEs暴露相关的健康影响包括甲状腺及肾脏功能损害[4],神经、心血管和内分泌缺陷[5],铟肺病和致癌性[6],肾源性系统性纤维化,神经系统功能失调,纤维化组织损伤,氧化应激,尘肺,细胞毒性[7],男性DNA损伤及染色体畸变[8]等。然而,关于人类健康影响,特别是关于金属ECEs长期暴露的健康效应及其作用机制的研究仍然十分有限。

本文的检索策略首先包括使用各种名称的ECEs和REE以及声明为ECEs和REE的所有金属元素进行标题搜索,在标题、摘要和关键词中搜索描述ECEs及REE对人类和环境健康影响的相关术语的组合作为主题搜索,标题检索与主题检索相结合,将时间范围控制在2014～2023年,在WOS共检索到16 076篇文献。发现金属ECEs可能造成多个系统损伤,如神经系统、心血管系统、泌尿系统、免疫系统、呼吸系统等,其中神经系统损伤的研究最为广泛,故本文主要对金属ECEs的神经效应进行综述。

1 金属ECEs暴露场景和途径

ECEs中的金属元素主要被应用于以下绿色能源领域:1)锂——电动汽车的可充电电池[9];2)钴——锂离子电池负极中的钴纳米材料[10];3)铟——薄膜太阳电池、充电桩[11];4)镧——镍金属混合(NiMH)可充电电池、电动汽车电池、氢动力汽车[12];5)钕——电动和混合动力汽车电机中的永磁体[13];6)镨——超级电容器电极及电催化剂[14];7)钪——航空航天和汽车行业中高强度轻质合金[15];8)镝——风力涡轮机和电动汽车[16];9)铈——锂离子电池、镍氢电池[12];10)铽——风力涡轮机、太阳能电池板[17];11)钇——汽车尾气净化、光电催化[18]。

金属ECEs在人类中的暴露场景主要为职业暴露。职业工人在金属ECEs的开采、加工及回收过程中均存在暴露风险。开采加工金属ECEs与人类健康风险升高有关,这些风险与多种直接暴露途径,如吸入、摄入污染的灰尘和饮食有关[19]。据报道,在ECEs开采过程中,蔬菜[20]、土壤[21]和街道灰尘[22]中ECEs含量较对照区域升高,表明矿区居民通过饮食或呼吸道也可暴露于ECEs。

在过去几年中,世界各地许多组织都加强了对可再生能源回收的研究,从报废电子电气设备中回收可再生能源是获取ECE的主要途径之一[13,23]。回收过程主要可分为收集、拆解、分离和作为其他金属加工四个关键步骤。首先,在收集过程中,由于废物破损,有害物质可能泄漏到大气中,通过吸入、摄入和皮肤接触而暴露给人类;其次,在拆解和分离过程中会产生挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOC)和粉尘,产生的粉尘可能含有各种金属物质,包括ECEs[24],也会通过呼吸道进入人体。总之,使用不当的方法处理电子废物,会增加健康有害物质的暴露,污染物可以通过吸收、摄入和皮肤接触进入人体,之后会在血液、大脑和骨骼中积聚[25],导致各种有害影响[26]。

2 金属ECEs的神经毒性效应和机制

2.1 人群研究证据和机制

对金属ECEs所致神经毒性效应的人群研究非常有限。早期的一项研究表明,在我国稀土元素丰富的地区,长期摄入低剂量的REE会降低人体中枢神经系统信号传导速度[27]。生活在稀土矿区的儿童平均智商、学习和记忆能力均低于生活在非稀土矿区的同龄人[28]。

与其他ECEs不同,锂对神经系统既有保护作用又有毒性作用,这与其暴露剂量有关。作为治疗双相情感障碍的一线药物,治疗剂量的锂对人的认知功能具有保护作用[29]。人体急性锂中毒通常导致轻度神经毒性[30],而这种毒性作用在锂清除后是可逆的。锂暴露引起的神经系统慢性蓄积作用,最常见的特征是长期谵妄,其次是小脑震颤、共济失调和锥体外系反射亢进、构音障碍、强直和阵挛[31]。“不可逆锂效应神经毒性综合征(Syndrome of irreversible lithium-effectuated neurotoxicity,SILENT)”是锂中毒的后遗症之一,其生物学机制尚不明确,但推测其原因可能是锂引起的神经系统多个部位(包括小脑)的脱髓鞘[32]。一些研究表明,钴颗粒可以沿着神经元轴突和树突迁移,并进入中枢神经系统和神经节,最终引起神经毒性作用[33]。还有报道称,吸入钴纳米颗粒会导致工人记忆缺陷[34],但其机制尚不明确。

2.2 体内及体外模型研究和机制探讨

相较于人群研究,金属ECEs对细胞等体内外生物模型的神经毒性效应的研究相对较多,这对于确定各金属ECEs对人类神经系统潜在的作用方式及结果非常重要。表1总结了金属ECEs对体内模型的神经毒性作用及潜在机制。体内模型的研究对象多为大鼠等啮齿类动物,还涉及水生动物如斑马鱼和贻贝等。锂和钴的暴露途径主要为腹腔注射,镧的暴露途径主要为口服给药,此外鼻滴给药、灌胃给药等方式也被其他元素所使用,而水生动物的暴露途径主要是合成水饲养。急性暴露时长为数小时,慢性暴露可长达15周。这些研究所阐述的金属ECEs的毒性作用机制集中在氧化应激、线粒体功能障碍、神经递质系统紊乱、海马体中信号通路改变等,最终导致神经元、海马体、脑组织损伤,动物神经系统发育不良,学习及记忆功能障碍。

表1 体内模型金属ECEs神经毒性研究

进一步探索体外模型中金属ECEs对各种细胞的神经毒性发现,尽管锂在治疗过程中有效浓度和过量浓度下对人神经系统的作用截然不同[54],但有趣的是,绝大多数研究关注锂的神经保护作用,针对其有害作用的研究数量十分有限。表2总结了金属ECEs对体外模型的神经毒性作用,其暴露途径均为培养基孵育,使用的细胞株主要为大鼠来源的PC12细胞和人源SH-SY5Y细胞这两种常见的神经细胞。此外,微电极阵列神经芯片上生长的初级皮质网络被用于评估镧的急性神经毒理学作用,其优势是可以保持自发活性和药理学反应超过一年[55],可以将此项技术推广应用于其他金属ECEs的毒理学研究。氧化应激依然是体外模型中ECEs神经效应的主要作用机制,Ca2+介导的信号转导通路有较多报道。毒性表型主要体现在细胞凋亡及损伤方面,这均体现了ECEs可能诱导神经毒性的作用。

表2 体外模型金属ECEs神经毒性研究

金属ECEs暴露途径及神经效应研究进展如图1所示。

图1 金属ECEs暴露途径及神经效应Figure 1 Exposure routes and neural effects of metal ECEs.

3 展望和挑战

3.1 ECEs健康效应研究的挑战和限制

由于暴露于金属ECEs的人群水平研究数量较少,探究金属ECEs对人类健康效应的影响主要依赖于已发表的体内外实验数据以及在金属ECEs矿区开展的人群调查,这也导致其他存在金属ECEs污染的区域,如电子废物倾倒场[65]、交通发达的市区[66]等,仍未见相关研究报道。不论是体内外实验还是人群调查,多数针对于单一ECEs,但其排放情况是多种ECEs同时排放,其联合健康效应还有待探究。

迄今为止,ECEs的健康评估方法和标准仍未建立。为了比较和解释研究数据,需要制定ECEs统一的检测标准和指南,以便进行环境和职业毒理学检测[25]。此外,暴露评估及健康效应评估也应与时俱进,充分利用转录组学、蛋白质组学和代谢组学等技术,识别早期生物标志物,有助于建立暴露与疾病之间关联的生物学合理性,并且可能为干预提供关键信息[67]。

3.2 ECEs可持续发展过程中面临的健康挑战

绿色能源是迈向“双碳”目标的关键,为了绿色能源的可持续发展,意味着对ECEs的需求将越来越多。然而,全球ECEs的储量有限,这就需要确保能够从新的和多样化的资源中获取ECEs。然而,开发经济可行的加工方法仍然面临着挑战。一方面,永久性的基础设施造价昂贵且建造难度较大;另一方面,因涉及到有害放射性产品,有毒化合物和有毒废水的排放,ECEs的加工和开采会带来严重的环境问题[2]。此外,非法采矿活动对ECEs行业的可持续发展产生了重大的负面影响[68],由于缺乏对ECEs的有效监管而产生了严重的环境排放,它们还造成了ECEs的价格波动。回收利用、废物转化为能源和工业共生等技术能够有效利用资源并最大限度地减少对环境的影响,目前只有少部分ECEs能够以正式方式回收,许多资源并未充分发挥其潜力[69]。

对此,第一,可能采取的应对措施包括推进加工技术创新并减少碳排放量,探索替代材料,以减少对ECEs的依赖;第二,为ECEs制订综合利用计划,以满足不同应用领域的高需求[70];第三,需制定ECEs的回收法规和标准,出台相关政策鼓励回收ECEs,并应支持研发工作以解决ECEs回收率低的技术问题;第四,对于非法采矿活动应予以严厉打击,制定更严格的法规并提高执法能力。

4 结论

现有研究主要从氧化应激的角度解释金属ECEs所致神经效应,但其深入的分子机制仍有待深入探索。此外,坚持可持续发展道路,发展绿色清洁能源,继续在工作场所建立可靠的监控系统或相关指南,重点关注ECEs的健康效应及环境影响,以促进新能源行业的产业工人健康、促进相关行业可持续发展。关注“双碳”背景下金属ECEs暴露的健康效应,改善产业工人的职业安全和健康状况,将进一步推进我国“双碳”目标的早日实现。