化學(xué)品足跡：概念、研究進(jìn)展及挑戰(zhàn)

杜翠紅，王中鈺，陳景文，喬顯亮，李雪花，謝宏彬，蔡喜運(yùn)

大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024

?

化學(xué)品足跡：概念、研究進(jìn)展及挑戰(zhàn)

杜翠紅，王中鈺，陳景文，喬顯亮，李雪花，謝宏彬，蔡喜運(yùn)

大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024

化學(xué)品污染被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為影響人類生存與發(fā)展的全球重大環(huán)境問題之一。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的化學(xué)品管理，需定量評價產(chǎn)品生命周期內(nèi)由化學(xué)品排放造成的生態(tài)影響。然而，當(dāng)前的化學(xué)品風(fēng)險評價指標(biāo)體系往往指向零碎的危害性或毒性終點(diǎn)，未能綜合出整體性指標(biāo)來定量表征生態(tài)系統(tǒng)所承受的損害，亦不能衡量人類活動排放的化學(xué)品總量與環(huán)境承載容量的相對大小。作為環(huán)境足跡一員，化學(xué)品足跡繼承了“足跡”指標(biāo)的特點(diǎn)，可定量表征生態(tài)系統(tǒng)受化學(xué)品影響的程度，并結(jié)合生態(tài)閾值及環(huán)境承載容量，有助于評價人類活動對環(huán)境可持續(xù)性的影響，有望成為公眾、企業(yè)、決策者及利益相關(guān)者之間相互交流的重要工具。本文概述了化學(xué)品足跡的基本概念及其發(fā)展歷程，介紹了現(xiàn)有的化學(xué)品足跡計算方法及其應(yīng)用于不同空間尺度下的案例研究，討論了化學(xué)品足跡研究中存在的問題與挑戰(zhàn)，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

化學(xué)品足跡；環(huán)境足跡；承載容量；環(huán)境可持續(xù)性；風(fēng)險評價

Received 7 December 2015 accepted 4 March 2016

化學(xué)品已成為人類社會發(fā)展不可或缺的要素[1]。據(jù)統(tǒng)計，市場上使用的化學(xué)品超過14萬種，相關(guān)產(chǎn)品則超過29萬種，且仍在快速增加[2-3]?；瘜W(xué)品在其整個生命周期內(nèi)都有可能進(jìn)入自然環(huán)境造成污染，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)造成損害[4]。化學(xué)品污染被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為影響人類生存與發(fā)展的全球性重大環(huán)境問題之一[1]。只有踐行可持續(xù)的化學(xué)品管理，才能突破化學(xué)品污染困局，緩解生態(tài)壓力，引領(lǐng)人類社會走上可持續(xù)發(fā)展的道路[5]。

實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的化學(xué)品管理，前提在于準(zhǔn)確評價化學(xué)品的綜合風(fēng)險。生命周期評價(LCA)方法能夠評價產(chǎn)品“從搖籃到墳?zāi)埂钡耐暾麣v程，可在時間尺度上將人類活動與化學(xué)品環(huán)境排放關(guān)聯(lián)起來，并將化學(xué)品風(fēng)險賦以具體指標(biāo)的形式[6]。但是，典型的化學(xué)品風(fēng)險評價指標(biāo)往往是化學(xué)品環(huán)境暴露水平與毒性效應(yīng)閾值的函數(shù)形式，如風(fēng)險商值計算預(yù)測環(huán)境濃度與預(yù)測無影響濃度的比值[7]。風(fēng)險商值可提供化學(xué)品的相對風(fēng)險排序，然而，這種風(fēng)險評價指標(biāo)往往指向零碎的危害性或毒性終點(diǎn)，不能給出整體性指標(biāo)來定量表征生態(tài)系統(tǒng)所承受的損害，亦不能衡量人類活動排放的化學(xué)品總量與環(huán)境承載容量(carrying capacity)的相對大小。因此，當(dāng)前的化學(xué)品風(fēng)險評價指標(biāo)不能從可持續(xù)的角度評價人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響。

從可持續(xù)的角度評價人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響，需確定人類施加環(huán)境壓力與自然生態(tài)系統(tǒng)消解該壓力的相對速率，并界定人類活動的安全操作空間(safe operation space)以及維持地球生態(tài)系統(tǒng)基本功能所允許人類壓力上限的“地球環(huán)境邊界(planetary boundaries)”[5]。在現(xiàn)有可持續(xù)性評價指標(biāo)中，足跡因具有形象的表現(xiàn)形式及不同時空尺度的可比性而受到青睞。表征人類活動對生態(tài)環(huán)境壓力的足跡指標(biāo)統(tǒng)稱為環(huán)境足跡(environmental footprints)[8]，如生態(tài)足跡(ecological footprint)、碳足跡(carbon footprint)、水足跡(water footprint)等，分別聚焦于自然資源占用、溫室氣體排放、水資源消耗等人類活動所造成環(huán)境壓力的不同方面[9]。然而，上述足跡指標(biāo)尚未有效涵蓋人類活動中數(shù)以萬計的化學(xué)品對生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。

此前關(guān)于化學(xué)品對生態(tài)系統(tǒng)影響的研究仍局限于土地營養(yǎng)負(fù)荷(化學(xué)肥料)、酸雨和其他相對簡單的污染場景[3]。由于人類活動的方方面面都與特定的化學(xué)品環(huán)境排放相關(guān)聯(lián)，化學(xué)品對自然環(huán)境的潛在危害可能破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響人類社會的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，化學(xué)品足跡(ChF，chemical footprint)概念的提出，可作為公眾、企業(yè)、政府管理者及利益相關(guān)者之間相互交流的重要工具，用于定量評價化學(xué)品生態(tài)風(fēng)險，進(jìn)而有助于評價人類活動對環(huán)境可持續(xù)性的影響。

1 化學(xué)品足跡概念的發(fā)展(Conceptual development of chemical footprint)

化學(xué)品足跡(ChF)的概念，其靈感來自生態(tài)足跡，由Panko和Hitchcock[10]于2011年在一篇商業(yè)報告中提出。經(jīng)不同學(xué)者的理解，ChF概念逐漸演進(jìn)，見表1。

可以看出，Panko等[10]和Konkel[14]對ChF的定義是針對產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的高危害化學(xué)品，其對可持續(xù)性的理解，亦著眼于特定的產(chǎn)品：高的可持續(xù)性意味著較大的市場份額及較長的產(chǎn)品壽命。該ChF概念可用于披露公司高危害化學(xué)品清單，提升公司的信息透明性和社會責(zé)任意識，進(jìn)而指導(dǎo)化學(xué)品安全政策制定及金融投資策略等[14-15]，其定義和功能類似于傳統(tǒng)化學(xué)品風(fēng)險評價指標(biāo)，意在借用“足跡”之名為公眾、企業(yè)、決策者及利益相關(guān)者就化學(xué)品安全管理問題提供交流工具。這類ChF概念旨在達(dá)到某種商業(yè)目的，局限于企業(yè)和產(chǎn)品，缺乏關(guān)聯(lián)人類活動、化學(xué)品及其生態(tài)環(huán)境影響的框架。

人類活動排放的化學(xué)品通過多種途徑進(jìn)入環(huán)境空間，生態(tài)系統(tǒng)暴露在一定水平的化學(xué)品濃度之下，其結(jié)構(gòu)與功能會受到影響，體現(xiàn)出化學(xué)品的生態(tài)毒性效應(yīng)；而環(huán)境空間一方面起到消納化學(xué)品的作用，另一方面則為生態(tài)系統(tǒng)提供必要的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)，成為人類活動與生態(tài)系統(tǒng)健康之間關(guān)系的橋梁?？傊?，合適的ChF概念應(yīng)體現(xiàn)出化學(xué)品、生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境空間三者之間的聯(lián)系(圖1)：ChF以人類為行為主體，以人類活動排放的化學(xué)品為評價主題，將人類活動排放的化學(xué)品對生態(tài)系統(tǒng)健康的風(fēng)險轉(zhuǎn)化為直觀的環(huán)境空間占用量的形式，并可用于化學(xué)品相關(guān)的環(huán)境風(fēng)險及可持續(xù)性評價。

表1 化學(xué)品足跡(ChF)概念的逐漸演進(jìn)

圖1 化學(xué)品足跡(ChF)概念框架Fig. 1 Conceptual framework of chemical footprint

計算ChF需解決三方面的問題：第一，如何準(zhǔn)確定量人類活動與化學(xué)品排放量之間的關(guān)系；第二，如何確定化學(xué)品對生態(tài)系統(tǒng)健康的毒性效應(yīng)閾值；第三，如何定量環(huán)境空間對化學(xué)品的消納能力。針對第一個問題，可以基于現(xiàn)有的LCA方法體系，跟蹤人類活動中化學(xué)品的排放量。而回答后兩個問題，需考慮生態(tài)系統(tǒng)的承載容量和修復(fù)能力等因素，將人類活動造成的生態(tài)影響與生態(tài)閾值或地球環(huán)境邊界關(guān)聯(lián)起來[3,5]。由于環(huán)境問題涉及到多介質(zhì)時空連續(xù)的復(fù)雜系統(tǒng)，以目前的環(huán)境科學(xué)水平，需要對化學(xué)品生態(tài)毒性和環(huán)境歸趨行為等進(jìn)行適當(dāng)簡化，才能定量表示消納化學(xué)品所需要的環(huán)境空間。接下來介紹2個ChF計算案例，盡管其主要針對淡水生態(tài)系統(tǒng)，但仍對ChF的定量計算做出了初步的探索。

2 化學(xué)品足跡計算案例(Calculation of chemical footprint: Case studies)

為將化學(xué)品排放與其對生態(tài)系統(tǒng)造成的損害程度定量關(guān)聯(lián)起來，需要一種可以指示生態(tài)系統(tǒng)“健康狀態(tài)”的具體指標(biāo)?？紤]到生物多樣性在一定程度上能夠體現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)健性，因而考察化學(xué)品污染對生物多樣性的影響，可以在一定程度上指示生態(tài)系統(tǒng)的受損程度。在該領(lǐng)域，物種敏感性分布(species sensitivity distribution, SSD)曲線提供了一個簡單的模型[16]，基于不同物種對環(huán)境中化學(xué)品(毒性)的敏感性差異，將化學(xué)品的環(huán)境暴露濃度與生態(tài)系統(tǒng)中潛在受到影響的物種比例(potentially affected fraction, PAF)關(guān)聯(lián)在了一起(圖2)。反向利用SSD曲線，即可以設(shè)定擬保護(hù)物種的比例，推導(dǎo)出其對應(yīng)的上限化學(xué)品暴露濃度。例如，在保守的風(fēng)險評價中，為保護(hù)絕大多數(shù)物種不受化學(xué)品毒性影響，一般采用PAF為5%時對應(yīng)SSD曲線的濃度值(HC5, hazardous concentration at 5% PAF)作為該類化學(xué)品導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)健康毒性效應(yīng)閾值的一個粗略估計。

圖2 典型物種敏感性分布(SSD)曲線Fig. 2 A typical curve of species sensitivity distribution (SSD)

另一方面，還需要定量環(huán)境空間對人類排放化學(xué)品的消納能力(圖1)。最簡單的思路即“用稀釋解決污染(the solution to pollution is dilution)”，這樣就可以將稀釋化學(xué)品污染至可接受生態(tài)毒性閾值(如上述HC5)所需環(huán)境空間體積定義為化學(xué)品足跡(ChF)。在操作上，稀釋化學(xué)品污染所需水體積(即ChF)與所評價區(qū)域內(nèi)可用水體積的比值低于(高于)單位1，則反映出人類活動對水生生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性(不可持續(xù)性)[11,17-18]?；诖?，Zijp等[12]和Bj?rn等[13]分別提出定量計算ChF的方法，通過比較ChF與目標(biāo)區(qū)域可獲得水資源總量，即可判斷化學(xué)品排放是否超過生態(tài)系統(tǒng)本身的承載容量。

2.1 借助復(fù)合潛在影響比例閾值來計算化學(xué)品足跡

基于PAF，De Zwart和Posthuma[16]發(fā)展了復(fù)合潛在影響比例(multi-substances PAF, msPAF)以評價多種化學(xué)品對生物的聯(lián)合毒性。結(jié)合msPAF，Zijp等[12]采用環(huán)境區(qū)間體積加權(quán)，定義聯(lián)合毒性壓力msPAFav：

(1)

其中，msPAFs為不同環(huán)境區(qū)間復(fù)合潛在影響比例(%)，Volumes為不同環(huán)境區(qū)間體積(m3)。

在考慮生態(tài)閾值時，Zijp等[12]提出2個基準(zhǔn)：政策邊界(policy boundary)和自然邊界(natural boundary)。政策邊界考慮SSD曲線上5%物種受到影響，由于該研究中毒理學(xué)數(shù)據(jù)基于半數(shù)效應(yīng)濃度(EC50)而非無可觀測效應(yīng)濃度(NOEC)，作者對其進(jìn)行換算，得到了基于EC50的政策邊界，等價于0.1%的物種受到影響。而根據(jù)Mulder等[19]的水生生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)模型，考慮不發(fā)生生物間接滅絕(indirect deletion)，即因某些物種滅絕引起食物網(wǎng)完整性受損而導(dǎo)致其他物種滅絕的現(xiàn)象時，所對應(yīng)的PAF值為自然邊界，等價于3%的物種受到影響。考慮到生態(tài)系統(tǒng)受到酸雨、富營養(yǎng)化等其他影響，也會降低對化學(xué)品污染的耐受限度，此時采用更為嚴(yán)格的政策邊界管理化學(xué)品，可以相對保守地評價生態(tài)系統(tǒng)面臨的風(fēng)險?；谏飳瘜W(xué)品暴露敏感性的msPAFav，給出如下化學(xué)品足跡計算式：

(2)

其中，ChF為化學(xué)品足跡(m3)，msPAFmax為復(fù)合潛在影響比例閾值(政策邊界下為0.1%和自然邊界下為3%)，EStotal為化學(xué)品排放占據(jù)的總環(huán)境空間(m3)。

根據(jù)該計算方法，Zijp等[12]選擇歐洲630種代表性有機(jī)化學(xué)品作為研究對象，基于政策邊界和自然邊界，ChF計算結(jié)果為7.8×103km3和2.6×102km3，分別占?xì)W洲可獲得水資源總量的1.1%和0.04%。結(jié)果表明歐洲有機(jī)化學(xué)品排放現(xiàn)狀可以維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。此外，Zijp等[12]也選取萊茵河(Rhine)、墨茲河(Meuse)和斯海爾德河(Scheldt)流域，考察274種農(nóng)用殺蟲劑的ChF，假設(shè)流域可獲得水資源總量在所研究年份期間恒定不變，結(jié)果顯示環(huán)境中殘留殺蟲劑的ChF嚴(yán)重超過了可獲得淡水體積。上述研究結(jié)果可分別與歐盟統(tǒng)計局和荷蘭地區(qū)殺蟲劑消耗評價的數(shù)據(jù)相互印證。Zijp等[12]定義的ChF可以將化學(xué)品排放造成的生態(tài)影響轉(zhuǎn)化為消納化學(xué)品所需要的環(huán)境空間，便于和現(xiàn)有環(huán)境空間比較。該計算方法考慮了化學(xué)品混合毒性，但是亦存在值得質(zhì)疑之處。例如，根據(jù)該計算式，msPAFav與環(huán)境空間體積呈正比例的關(guān)系，然而，環(huán)境空間體積與受到潛在影響的物種比例恐怕并非是如此簡單的線性關(guān)系。

2.2 借助生態(tài)毒性影響特征化因子來計算化學(xué)品足跡

數(shù)據(jù)匱乏是計算ChF的一大挑戰(zhàn)，一些化學(xué)品毒理數(shù)據(jù)(如NOEC)往往需要基于大量毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)才能獲取，很多化學(xué)品沒有數(shù)據(jù)可用，極大地限制了評價特定區(qū)域ChF的實(shí)踐。Zijp等[12]提出的計算方法需分別計算每一種化學(xué)品的潛在影響比例，考慮到實(shí)際環(huán)境中化學(xué)品污染的復(fù)雜性，該方法可行性較低。2013年，Sala和Goralczyk[3]在其研究案例中借助USEtox模型[20-21]的淡水生態(tài)系統(tǒng)比較毒性單位(comparative toxic unit for freshwater ecosystem)來表征化學(xué)品的生態(tài)毒性效應(yīng)，為后續(xù)研究提供了思路，即利用生態(tài)毒理學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)有較為成熟的模型來估算ChF。而目前利用LCA表征化學(xué)品毒性影響的最佳模型是USEtox模型，其內(nèi)嵌的多介質(zhì)歸趨模型可以很好地模擬化學(xué)品在環(huán)境介質(zhì)中的動態(tài)遷移轉(zhuǎn)化和降解等過程。利用該模型可以將生態(tài)毒性影響轉(zhuǎn)化為對一定體積環(huán)境介質(zhì)的占用。該模型是為比較不同污染物的生態(tài)毒性影響而開發(fā)的，未采用安全因子或其他保守性估計，可以得到絕對意義的環(huán)境影響量。此外，USEtox被廣泛采用，其附帶的數(shù)據(jù)庫約有2 500種化學(xué)品的淡水生態(tài)毒性特征化因子(characterization factor, CF)，即一定時間，一定環(huán)境介質(zhì)體積內(nèi)，單位質(zhì)量化學(xué)品所影響的物種比例(PAF·m3·d·kg-1)，還可以計算未知化學(xué)品生態(tài)毒性CF，這也在一定程度上解決了毒性數(shù)據(jù)缺失的難題。

基于USEtox模型的上述優(yōu)勢，Bj?rn等[13]針對淡水生態(tài)系統(tǒng)，利用CF，結(jié)合化學(xué)品排放量E(kg)，給出了化學(xué)品足跡計算式：

ChF=f·∑CFUSEtox·E

(3)

式(3)中，ChF為化學(xué)品足跡(m3)，f是為了進(jìn)一步估算絕對環(huán)境影響量而設(shè)定的修正因子(取值290，無量綱)。因此通過公式(3)計算得出ChF的單位是m3·d (PAF無量綱，可忽略)，可解釋為稀釋化學(xué)品濃度到安全水平所需要的淡水體積與占用該體積時間的乘積。當(dāng)污染排放發(fā)生在已知時間段內(nèi)，可將ChF除以時間，得到體積形式的ChF。為確定邊界條件，Bj?rn等[13]提出稀釋容量(dilution capacity, DC)這一關(guān)鍵概念，表示可用于稀釋化學(xué)品污染的地表淡水體積，以配合ChF說明可持續(xù)性程度。ChF與DC以ChF/DC的形式結(jié)合，當(dāng)ChF/DC低于(高于)1時，可判定所評價區(qū)域化學(xué)品相關(guān)活動對于該區(qū)域淡水生態(tài)系統(tǒng)是可持續(xù)(不可持續(xù))的。

Bj?rn等[13]選擇歐洲化學(xué)物質(zhì)排放清單中173種化學(xué)品，基于上述方法計算得出2004年歐洲國家及部分城市的ChF，結(jié)果顯示對于絕大多數(shù)的歐洲國家及內(nèi)陸城市，其ChF/DC大于1，即化學(xué)品污染超過了生態(tài)系統(tǒng)本身的承載容量。這種借由USEtox模型特征化因子轉(zhuǎn)化的方法使得ChF的計算變得簡便，利用ChF/DC值可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域人類活動對環(huán)境可持續(xù)性影響的相對比較，然而，ChF的絕對含義仍不是很明確，同時還需另行界定不同區(qū)域的DC值。此外，由于該方法過渡依賴USEtox模型，因而USEtox模型本身的失真和不確定性都會傳遞給所計算的ChF值，從而對后續(xù)的評價造成干擾。

3 化學(xué)品足跡面臨的問題與挑戰(zhàn)(Problems and challenges for chemical footprint)

評價化學(xué)品生態(tài)風(fēng)險，不宜受限于現(xiàn)存的評價方法，需要發(fā)展多種指標(biāo)相互補(bǔ)充，進(jìn)而多角度評價化學(xué)品的潛在危害[11,22]?；瘜W(xué)品足跡(ChF)的根本功能是，以一種綜合而直觀的形式，將人類活動中化學(xué)品排放造成的環(huán)境影響定量表現(xiàn)出來，并支持該影響與環(huán)境承載容量相比較，進(jìn)而從可持續(xù)的角度評價人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響。為實(shí)現(xiàn)該功能，必須面對“人類活動與生態(tài)系統(tǒng)之間、社會與自然之間的相互作用機(jī)制”這一龐雜的科學(xué)問題，并準(zhǔn)確界定地球生態(tài)系統(tǒng)層次的化學(xué)品毒性閾值和地球環(huán)境邊界，這樣才能保證ChF的可信性和有效性。基于此，對ChF發(fā)展所面臨的諸多問題與挑戰(zhàn)展開討論。

3.1 化學(xué)品相關(guān)數(shù)據(jù)匱乏

獲取全面可靠的化學(xué)品清單數(shù)據(jù)是進(jìn)行ChF評價的基礎(chǔ)。在我國化學(xué)品生態(tài)風(fēng)險評價領(lǐng)域，準(zhǔn)確的排放量、歸趨和暴露的數(shù)據(jù)往往是難獲取的，更沒有對企業(yè)化學(xué)品排放展開全面有效的統(tǒng)計，這都極大地降低了在中國應(yīng)用ChF的可行性。相比而言，美國、經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織等已建立“污染物排放與轉(zhuǎn)移登記制度(pollutant release and transfer register)”[23]、“排放場景文檔(emission scenario documents, www.oecd.org/env/exposure/esd)”、“毒性排放清單數(shù)據(jù)庫(toxics release inventory database)”[24]等體系，數(shù)據(jù)高度透明化，為化學(xué)品風(fēng)險評價提供了較全面的數(shù)據(jù)支持。在我國實(shí)施化學(xué)品排放清單登記等制度，建立和完善化學(xué)品數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可在一定程度上解決ChF評價中數(shù)據(jù)匱乏問題，有助于高效開展化學(xué)品風(fēng)險管理工作。

然而，注意到新化學(xué)品源源不斷被合成、使用并進(jìn)入環(huán)境，化學(xué)品污染狀況亦隨時間變化，根據(jù)現(xiàn)有化學(xué)品排放記錄的足跡研究，顯然具有滯后性。理論上，只有涵蓋人類社會活動排放的全部化學(xué)品，所計算的ChF才有絕對意義，具備與地球承載容量的可比性。因此，在進(jìn)行ChF絕對意義上的比較時，須注意選取數(shù)據(jù)的覆蓋性與代表性。此外，缺失的化學(xué)品相關(guān)數(shù)據(jù)有可能利用定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)模型進(jìn)行快速地填補(bǔ)[25-26]。

3.2 化學(xué)品復(fù)合污染與聯(lián)合毒性

經(jīng)典的化學(xué)品風(fēng)險評價限于單種化學(xué)品，欠缺對復(fù)合污染與聯(lián)合毒性的考慮。進(jìn)入環(huán)境的化學(xué)品，其行為并不是相互獨(dú)立的，借助USEtox模型計算單種ChF，假定不同化學(xué)品之間具有相同的毒性作用機(jī)制，并采用濃度加和(concentration addition)模型計算不同化學(xué)品之間的聯(lián)合作用，并不符合實(shí)際：一方面，不同化學(xué)品在環(huán)境中可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起彼此毒性削弱亦或是產(chǎn)生毒性更強(qiáng)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物；另一方面，不同化學(xué)品在生物體內(nèi)會發(fā)生拮抗或協(xié)同作用從而顯著抑制或增強(qiáng)毒性。綜上，化學(xué)品在環(huán)境與生物體內(nèi)的復(fù)雜行為會改變彼此獨(dú)立存在時的歸趨與毒性效應(yīng)，體現(xiàn)出化學(xué)品污染的復(fù)雜性。

盡管De Zwar和Posthuma[16]發(fā)展的msPAF指標(biāo)，考慮到化學(xué)品之間不同的毒性作用機(jī)制，采用效應(yīng)加和(response addition)模型計算其混合毒性作用，然而，無論濃度加和還是效應(yīng)加和，均未考慮化學(xué)品之間的相互作用影響。對于環(huán)境中同時存在的化學(xué)品，美國環(huán)保局發(fā)展了一種基于化學(xué)品之間相互作用的危害指數(shù)(HIint-EPA)[27]，在濃度加和模型危害指數(shù)(hazard index)基礎(chǔ)上整合了相互作用因子(interaction factor)，有望定量表示混合化學(xué)品之間的相互作用，但是其風(fēng)險商值的形式并不適合ChF的概念。

復(fù)合污染與聯(lián)合毒性是發(fā)展ChF模型不可逾越的問題。對于缺乏毒性作用機(jī)制信息的化學(xué)品，可以專門開展毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究或借助計算毒理學(xué)方法來輔助判斷[28]。然而，深入研究化學(xué)品的環(huán)境行為機(jī)制，揭示化學(xué)品在環(huán)境介質(zhì)中發(fā)生的遷移轉(zhuǎn)化，預(yù)測復(fù)合污染物的環(huán)境歸趨，研究多種化學(xué)品在生物體內(nèi)的分布和毒性效應(yīng)機(jī)制，才有望準(zhǔn)確表征化學(xué)品復(fù)合污染與聯(lián)合毒性，提升ChF的科學(xué)可靠性。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)指標(biāo)

化學(xué)品排放到環(huán)境中，對一定數(shù)量的生物個體產(chǎn)生毒性效應(yīng)，進(jìn)而影響種群和生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。在現(xiàn)有ChF定義中，生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的指示終點(diǎn)主要基于物種敏感性分析，用物種潛在影響比例表示。生態(tài)系統(tǒng)是由無機(jī)環(huán)境及生物成分構(gòu)成，而多種生物構(gòu)成的食物網(wǎng)絡(luò)一定程度上能夠表征生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)健性，然而，當(dāng)前的PAF指標(biāo)僅是泛泛地以受到影響的物種百分比來表示，未曾考慮到生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵物種的特殊地位，這一問題需要在后續(xù)的研究中加以考慮。

另一方面，生態(tài)系統(tǒng)維持自身穩(wěn)態(tài)，并為地球環(huán)境以及棲居于其中的生物提供生態(tài)服務(wù)功能，這種服務(wù)功能本身可能比單純的物種潛在影響比例更具備表征生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的特質(zhì)。類似地，生態(tài)足跡概念中，也綜合考慮了可耕地、林地、草場、化石能源地、建筑用地和海洋6個方面，分別對應(yīng)著糧食供應(yīng)、能源供應(yīng)、提供生存空間等重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)或功能[29]?？傊?，ChF的定義不應(yīng)滿足和停留于現(xiàn)有的指向生物多樣性的終點(diǎn)指標(biāo)，而應(yīng)該探索其他更合適的指標(biāo)。

3.4 時間和空間特異性

ChF有很強(qiáng)空間特異性。當(dāng)前的ChF研究仍以淡水生態(tài)系統(tǒng)的功能(PAF)為主，誠然，淡水生態(tài)系統(tǒng)對于人類的生存具有非常重要的意義，同時也是環(huán)境領(lǐng)域研究較為成熟的對象。然而，不同地理區(qū)域由不同的生態(tài)系統(tǒng)組成，對同種化學(xué)品污染，其耐受限度也存在差異，在進(jìn)行特定區(qū)域的ChF研究時應(yīng)盡量考慮當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)特性。此外，進(jìn)入環(huán)境的化學(xué)品，其空間濃度分布不是均一的，在排放源附近濃度較高，當(dāng)前的ChF并沒有考慮到排放源的“熱點(diǎn)(hot spot)”特性，很可能低估排放源附近的生物承受的潛在生態(tài)毒性風(fēng)險。

另一方面，ChF研究具有時間特異性。化學(xué)品實(shí)際排放情況也會隨時間波動，例如集中于某時間段內(nèi)的大量化學(xué)品排放。由于當(dāng)前研究主要采用穩(wěn)態(tài)模型處理化學(xué)品在環(huán)境介質(zhì)中的歸趨，無法體現(xiàn)出化學(xué)品排放的時間特異性。精細(xì)地考慮這一時間特異性，增加ChF的時間分辨率，可提升預(yù)測與評價的準(zhǔn)確性，但同時也會大幅增加ChF評價所需的數(shù)據(jù)量和工作強(qiáng)度。綜上，具體采用何種時間尺度或指標(biāo)，還需要視評價者的目的而定。

3.5 化學(xué)品足跡模型

模型化是科學(xué)研究的發(fā)展趨勢之一，模型也是理論研究的一種高級形態(tài)。上述科學(xué)問題都可以在ChF評價模型中體現(xiàn)出來。當(dāng)前的ChF方法主要借助基于多介質(zhì)歸趨[30]的生命周期影響評價(LCIA)模型，尤其是USEtox模型，然而該類模型尚存一些缺陷。例如在Bjorn等[13]的研究中，丹麥境內(nèi)ChF幾乎全部由金屬鋅、銅貢獻(xiàn)，有機(jī)殺蟲劑則僅占1%左右，而事實(shí)上金屬化學(xué)物質(zhì)的生物利用度較低，因此USEtox模型對金屬的淡水生態(tài)毒性影響有“高估”的傾向[31]。此外，對無機(jī)化學(xué)品、有機(jī)金屬化學(xué)品及兩性化學(xué)品等，該模型尚不能準(zhǔn)確地模擬計算，這是多介質(zhì)逸度模型應(yīng)用于ChF研究亟待解決的問題。

現(xiàn)存模型數(shù)據(jù)庫中僅有針對全球的簡化模型及部分國家和地區(qū)的地理信息參數(shù)，而不同區(qū)域氣候、水文條件等差異顯著，采用默認(rèn)參數(shù)可能并不合適，借助地理信息系統(tǒng)，豐富不同研究尺度(城市、農(nóng)村、典型工業(yè)園區(qū)等)地理區(qū)塊的數(shù)據(jù)信息，才能降低ChF模型的不確定性。隨著研究深入，相關(guān)的模型也會逐步改進(jìn)，更逼真地模擬化學(xué)品暴露乃至毒性效應(yīng)，為計算ChF提供更可靠的科學(xué)依據(jù)。

3.6 化學(xué)品足跡涵蓋性問題

化學(xué)品外延廣泛，溫室氣體(二氧化碳、甲烷等)、營養(yǎng)鹽物質(zhì)(氮磷等)、化石燃料、以及傳統(tǒng)水體污染物(COD、BOD等)，廣義上都可歸屬在化學(xué)品概念下，這些化學(xué)品對地球生態(tài)系統(tǒng)和人類社會的不同方面有著顯著的影響，在環(huán)境足跡的母體概念之下，各自對應(yīng)碳足跡、氮足跡、能量足跡、灰水足跡等面向不同環(huán)境壓力的子概念。本文討論的ChF主要針對化學(xué)品潛在的生態(tài)系統(tǒng)毒性效應(yīng)進(jìn)行評價。然而，生態(tài)系統(tǒng)健康又與全球氣候、可用水資源總量、全球營養(yǎng)鹽物質(zhì)循環(huán)等有著緊密的關(guān)聯(lián)。尤其在全球尺度研究ChF時，單純指向生態(tài)系統(tǒng)毒性效應(yīng)顯得頗為片面。

由于各種足跡概念表征了人類活動對地球環(huán)境不同方面的影響，因此，有學(xué)者提出“足跡家族(footprint family)”的概念[9]，擬整合利用現(xiàn)有的足跡體系評價人類活動對環(huán)境可持續(xù)性的影響?！白阚E家族”更具綜合性，不過現(xiàn)有足跡概念相互之間亦有重疊[9]。各種環(huán)境壓力的產(chǎn)生源也扭結(jié)于化學(xué)品這一概念之下。因此，跨學(xué)科、系統(tǒng)性地理解人類活動與地球系統(tǒng)之間的相互作用，尤其是梳理化學(xué)品各種效應(yīng)之間的復(fù)雜關(guān)系，才是利用足跡指標(biāo)表征人類活動對環(huán)境影響的基礎(chǔ)。

4 化學(xué)品足跡應(yīng)用展望(Perspectives on the application of chemical footprint)

歐美等發(fā)達(dá)國家在化學(xué)品相關(guān)政策壓力下，非常注重發(fā)展和應(yīng)用化學(xué)品環(huán)境評價與管理技術(shù)，我國在該領(lǐng)域的發(fā)展相對落后?；瘜W(xué)品足跡(ChF)是化學(xué)品風(fēng)險及可持續(xù)性評價領(lǐng)域的一個新興概念和指標(biāo)，雖然尚未成熟，卻為評價和預(yù)測化學(xué)品的環(huán)境影響提供了一個思路。

ChF具備預(yù)測功能，即可進(jìn)行“前瞻性”評價。例如，在模型中虛擬污染場景，可為特定地理區(qū)域內(nèi)擬建工程項目的環(huán)境可持續(xù)性提供指導(dǎo)，為城鄉(xiāng)綠色發(fā)展與規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。此外，ChF具備傳統(tǒng)風(fēng)險評價指標(biāo)的相對性評價功能，可協(xié)助管理部門相關(guān)決策、措施的制定；指導(dǎo)毒性化學(xué)品的控制與替代，并估算企業(yè)產(chǎn)品及供應(yīng)鏈內(nèi)有毒ChF，以明確其生產(chǎn)過程中隱含的環(huán)境責(zé)任[14]。最關(guān)鍵的是，ChF具備與地球環(huán)境邊界的直接可比性，即絕對性評價功能。某種意義上，全球化學(xué)品承載容量是一定的，因而世界各國ChF總和應(yīng)該有一個上限值。部分化學(xué)品由于其環(huán)境持久性及長距離遷移性，經(jīng)過大氣輸送、洋流運(yùn)動等方式影響其他國家的環(huán)境安全，甚至引發(fā)國際糾紛。因此，ChF研究需要在全球?qū)用嬲归_，更需要世界各國的合作和支持。

綜上，ChF可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測功能、相對性評價、絕對性評價功能，有望成為公眾、企業(yè)、決策者及利益相關(guān)者之間相互交流的重要工具，因此，需要我國相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)工作者和管理者給予足夠的關(guān)注。

[1] Geiser K, Edwards S. Instruments and Approaches for the Sound Management of Chemicals [R]// Global Chemicals Outlook-Towards Sound Management of Chemicals. United Nations Environment Programme, 2013

[2] Judson R, Richard A, Dix D J, et al. The toxicity data landscape for environmental chemicals [J]. Environmental Health Perspectives, 2009, 117(5): 685-695

[3] Sala S, Goralczyk M. Chemical footprint: A methodological framework for bridging life cycle assessment and planetary boundaries for chemical pollution [J]. Integrated Environmental Assessment and Management, 2013, 9(4): 623-632

[4] Rappaport S M, Smith M T. Environment and disease risks [J]. Science, 2010, 330: 460-461

[5] Rockstr?m J, Steffen W, Noone K, et al. A safe operating space for humanity [J]. Nature, 2009, 461: 472-475

[6] Hellweg S, Milái Canals L. Emerging approaches, challenges and opportunities in life cycle assessment [J]. Science, 2014, 344(6188): 1109-1113

[7] Van Leeuwen C J, Vermeire T G. Risk Assessment of Chemicals: An Introduction (2nd ed.) [M]. Springer, 2007

[8] Hoekstra A Y, Wiedmann T O. Humanity's unsustainable environmental footprint [J]. Science, 2014, 344(6188): 1114-1117

[9] Fang K, Heijungs R, de Snoo G R. Theoretical exploration for the combination of the ecological, energy, carbon, and water footprints: Overview of a footprint family [J]. Ecological Indicators, 2014, 36: 508-518

[10] Panko J, Hitchcock K. Chemical footprint ensuring product sustainability [J]. Air & Waste Management Association, 2011: 11-15

[11] Posthuma L, Bj?rn A, Zijp M C, et al. Beyond safe operating space: Finding chemical footprinting feasible [J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(11): 6057-6059

[12] Zijp M C, Posthuma L, van de Meent D. Definition and applications of a versatile chemical pollution footprint methodology [J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(18): 10588-10597

[13] Bj?rn A, Diamond M, Birkved M, et al. Chemical footprint method for improved communication of freshwater ecotoxicity impacts in the context of ecological limits [J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(22): 13253-13262

[14] Konkel L. Chemical footprinting identifying hidden liabilities in manufacturing consumer products [J]. Environmental Health Perspectives, 2015, 123(5): 130-133

[15] Hitchcock K, Panko J, Scott P. Incorporating chemical footprint reporting into social responsibility reporting [J]. Integrated Environmental Assessment and Management, 2012, 8(2): 386-388

[16] De Zwart D, Posthuma L. Complex mixture toxicity for single and multiple species: Proposed methodologies [J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2005, 24(10): 2665-2676

[17] Pfister S, Raptis C. Footprints and safe operation space: Walk the line? [J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(16): 8935-8935

[18] Posthuma L, Bjorn A, Zijp M C, et al. Chemical footprints: Thin boundaries support environmental quality management [J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(22): 13025-13026

[19] Mulder C, Boit A, Mori S, et al. Distributional (in) Congruence of Biodiversity-ecosystem Functioning, in Advances in Ecological Research [M]. Elsevier, 2012: 1-88

[20] Henderson A D, Hauschild M Z, van de Meent D, et al. Usetox fate and ecotoxicity factors for comparative assessment of toxic emissions in life cycle analysis: Sensitivity to key chemical properties [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2011, 16(8): 701-709

[21] Rosenbaum R K, Bachmann T M, Gold L S, et al. USEtox-the UNEP-SETAC toxicity model: Recommended characterisation factors for human toxicity and freshwater ecotoxicity in life cycle impact assessment [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2008, 13(7): 532-546

[22] S?rme L, Palm V, Finnveden G. Using E-PRTR data on point source emissions to air and water-First steps towards a national chemical footprint [J]. Environmental Impact Assessment Review, 2016, 56: 102-112

[23] Sullivan R, Gouldson A. Pollutant release and transfer registers: Examining the value of government-led reporting on corporate environmental performance [J]. Corporate Social Responsibility and Environmental Management, 2007, 14(5): 263-273

[24] Hamilton J T. Pollution as news - media and stock - market reactions to the toxics release inventory data [J]. Journal of Environmental Economics and Management, 1995, 28(1): 98-113

[25] 陳景文, 李雪花, 于海瀛, 等. 面向毒害有機(jī)物生態(tài)風(fēng)險評價的(Q)SAR技術(shù): 進(jìn)展與展望[J]. 中國科學(xué)B輯: 化學(xué), 2008, 38(6): 461-474

Chen J W, Li X H, Yu H Y, et al. Q(SAR) technologies oriented to the ecological risk assessment of hazardous organic chemicals: Advances and perspective [J]. Science in China (Series B), 2008, 38(6): 461-474 (in Chinese)

[26] 王中鈺, 陳景文, 喬顯亮, 等. 面向化學(xué)品風(fēng)險評價的計算(預(yù)測)毒理學(xué)[J]. 中國科學(xué): 化學(xué), 2016, 46: 1-21

Wang Z Y, Chen J W, Qiao X L, et al. Computational toxicology: Oriented for chemicals risk assessment [J]. Science Sinica Chimica, 2016, 46: 1-21 (in Chinese)

[27] Ragas A M J, Oldenkamp R, Preeker N L, et al. Cumulative risk assessment of chemical exposures in urban environments [J]. Environment International, 2011, 37(5): 872-881

[28] Ekins S. Progress in computational toxicology [J]. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods, 2014, 69(2): 115-140

[29] Borucke M, Moore D, Cranston G, et al. Accounting for demand and supply of the biosphere's regenerative capacity: The national footprint accounts' underlying methodology and framework [J]. Ecological Indicators, 2013, 24: 518-533

[30] Mackay D. Finding fugacity feasible [J]. Environmental Science & Technology, 1979, 13(10): 1218-1223

[31] Gandhi N, Diamond M L, van de Meent D, et al. New method for calculating comparative toxicity potential of cationic metals in freshwater: Application to copper, nickel, and zinc [J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44(13): 5195-5201

◆

Chemical Footprint: Concepts, Research Progress and Challenges

Du Cuihong, Wang Zhongyu, Chen Jingwen*, Qiao Xianliang, Li Xuehua, Xie Hongbin, Cai Xiyun

Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering (Ministry of Education), School of Environmental Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

According to the United Nations Environment Programme (UNEP), chemical pollution is one of the serious global environmental problems threatening the survival and development of human beings. To achieve sustainable chemical management, it is necessary to quantitatively assess the potential ecological impacts caused by emission of chemicals during the entire lifecycle of products. However, the current risk assessment indicators on chemicals generally rely on scattered hazards or endpoints, failing to give a holistic indicator that can systemically measure the actual damage to ecosystems, and cannot be employed to compare human pressure on ecosystems against environmental carrying capacity. As a member of environmental footprints, chemical footprint has inherited the features of footprint-style indicators that are capable of quantitatively characterizing the extent of the impacts on ecosystems by chemicals. Moreover, chemical footprint can contribute to sustainability assessment based on a combination of ecological threshold and environmental carrying capacity, thus can be used as a useful communication tool among the public, enterprises, decision makers and stakeholders. In this review, the fundamental concepts and development of chemical footprint are summarized. In addition, the existing calculation methods for chemical footprint with case studies at varied regional scales are introduced. Several scientific issues and challenges on chemical footprint studies are discussed. Some perspectives are presented on the application of chemical footprint.

chemical footprint; environmental footprints; carrying capacity; environmental sustainability; risk assessment

10.7524/AJE.1673-5897.20151207001

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計劃項目(2013CB430403)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助(DUT15ZD227)

杜翠紅(1992-)，女，碩士，研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)化學(xué)，E-mail: ducuihong@mail.dlut.edu.cn

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: jwchen@dlut.edu.cn

2015-12-07 錄用日期：2016-03-04

1673-5897(2016)2-018-09

X171.5

A

簡介：陳景文(1969-)，男，環(huán)境科學(xué)與工程博士，教授，研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)化學(xué)及環(huán)境生態(tài)技術(shù)。

杜翠紅, 王中鈺, 陳景文, 等. 化學(xué)品足跡: 概念、研究進(jìn)展及挑戰(zhàn)[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報，2016, 11(2): 18-26

Du C H, Wang Z Y, Chen J W, et al. Chemical footprint: Concepts, research progress and challenges [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 18-26 (in Chinese)