《Environmental Science & Technology》：Boundaries, Limits, Global Threats – How Can the Impacts of Global Synthetic Pollutants Be Reduced?
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这篇综述系统性追溯了全球合成污染物（如CFCs、PFASs等）如何构成地球边界（Planetary Boundaries, PBs）威胁。文章指出，基于持久性（Persistence）、生物累积性（Bioaccumulation）和远距离迁移（Long-Range Transport）的化学物质特性识别，结合“安全与可持续设计（Safe and Sustainable by Design, SSbD）”等上市前管控与基于类别的淘汰（Class-Based Phase-Outs）策略，是遏制其全球性、不可逆影响的关键。文章强调，将环境正义（Environmental Justice）纳入“安全与公正的地球系统边界（Safe and Just Earth System Boundaries, ESBs）”框架，并加强科学与政策接口（Science–Policy Interface），对于解决这一棘手的全球性问题至关重要。
边界、极限、全球性威胁——如何减少全球合成污染物的影响？
引言
地球边界概念最初由Rockstr?m等人于2009年提出，其后历经数次修订。在最初的概念中，化学物质被归入“化学污染”这一影响类别，但其程度被标记为“尚未量化”。后来，Steffen等人将标签从“化学污染”更改为“新实体”，并将其定义为：具有潜在不良地球物理和/或生物效应的新物质、现有物质的新形式以及经过修饰的生命形式。2023年，Rockstr?m等人引入了“安全与公正的地球系统边界”这一新层面，以结合处理环境与社会影响。在他们的图示中，新实体从图中被移除，但仍在文本中被提及。
针对化学物质的地球边界概念，Persson等人、MacLeod等人、Diamond等人以及Persson等人进行了专门讨论。Persson等人认为“新实体”边界定义不清，可能代表多种不同的威胁而非单一边界。他们提出了化学物质（或混合物）构成地球边界风险必须同时满足的三个条件：该化学物质对人类健康、生态健康或地球系统过程表现出先前未知的破坏性效应；该效应直到化学物质在全球范围内产生影响时才被发现；该效应（或作为其原因的暴露）不易逆转。该论文提出了主动识别此类化学物质的策略，以在它们跨越阈值并造成全球性危害之前管理其风险。
MacLeod等人基于Persson等人的研究，将这三个标准转化为基于化学物质效应和环境暴露的化学特征谱，并建议根据这些特征谱对商用化学品进行优先排序是可行的，尽管仍存在显著的不确定性和科学挑战。
Diamond等人则采取了与Persson和MacLeod不同的方法，试图量化新实体的单一全球边界，而非专注于识别单独符合地球边界风险标准的化学物质。他们指出，将所有合成化学品作为一个整体表征为单一的地球边界威胁是困难的，因为暴露和影响都极其异质，通常是局地或区域性的，且在规模、时间、严重程度上多种多样，并且没有单一的响应变量可以指示此类地球边界威胁的总体严重程度。
Persson等人后来调查并比较了几种可能的控制变量，得出结论认为人类已经超出了新实体的地球边界，因为化学品的数量如此庞大且仍在增长，以至于超过了科学和监管的评估与监测能力。此外，他们认为塑料污染是一个导致大规模影响的因素，可能会干扰地球系统功能。塑料污染的累积问题也较早被强调为地球边界威胁，因为其已知和未知的物理与化学影响的结合将在全球范围内造成不可逆转的后果。
在此背景下，本文探讨了地球边界概念的历史背景及其在早期全球合成污染物影响警告中的根源，并讨论了为何政治行动未能有效应对这些影响。这尤为重要，因为全球合成污染物的问题并非新问题，而是早在五六十年前就已起源，并且当时也已明确表明其令人担忧。
来自全球合成污染物的威胁：研究与监管的两条轨迹
有观点认为，全氟和多氟烷基物质等高持久性化学物质构成了地球边界威胁，因为它们满足Persson等人提出的此类威胁要求。氯氟烃也满足这些要求。这些是化学污染的全球性或地球规模最为明显的案例。重要的是，对此类案例的担忧——持久性化学物质造成全球规模的影响，此处称为“全球合成污染物”——在地球边界概念提出之前很久就已表达。源自20世纪60年代甚至更早、涉及全球合成污染物的科学工作有两条“轨迹”：一方面是挥发性有机氟化学物质的研究，另一方面是通常具有生物累积性的有机氯和有机溴化学物质的研究。这两条轨迹多年来大多是分离的，也因为每条轨迹的典型物质——氯氟烃与滴滴涕和多氯联苯——具有非常不同的物理化学性质和环境效应，这意味着它们分属环境科学中基本独立的子学科。
轨迹一，或称“大气轨迹”，专注于导致平流层臭氧消耗、加剧气候变化或构成长期健康风险的挥发性卤代气体。关键里程碑包括Molina和Rowland提出臭氧消耗假说的研究、Farman等人对臭氧洞的测量，以及1995年Crutzen、Molina和Rowland获得的诺贝尔化学奖。随后的CFC替代品（氢氯氟烃和氢氟烃）是强效温室气体，导致了气候变化。作为HCFCs和HFCs替代品的氢氟烯烃会降解为三氟乙酸，这是一种持久且易迁移的物质，若不及时干预，可能造成长期、难以逆转的健康和环境影响。因此，轨迹一涉及三个独立的地球边界，即：臭氧消耗、全球气候变化和新实体。
轨迹二，或称“水陆生态毒理学轨迹”，涉及具有生物累积性的有机氯和有机溴化合物，以滴滴涕、多氯联苯和多溴二苯醚为例。Jensen等人在1969年以及Goldberg在1975年的早期研究，连同20世纪80年代和90年代对五大湖的研究以及对北极化学污染的广泛研究，促成了20世纪90年代对持久性有机污染物的全球性认识，并最终催生了《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》。该公约的POPs标准，即为其持久性或生物累积性设定的数值阈值，反映了这些有机氯物质的特性，突出了其长期的生态和人类健康影响。从2001年起，PFASs也越来越多地在这条研究轨迹中被调查，并且已有几种PFASs被纳入《斯德哥尔摩公约》。
这两条轨迹各自代表了大量富有成果的科学研究，也为相应的全球条约提供了基础，即1989年生效的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，以及后来的2019年生效的关于作为温室气体的HFCs的《基加利修正案》，和2004年生效的《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》。
有趣的是，这两条轨迹曾有过数次交叉或重叠。一次是在20世纪60年代和70年代初，当时进行了碳-卤键酶促裂解的研究。Goldman总结了部分这项研究；研究了几种卤代乙酸、丙酸和丁酸，并探索了从这些物质中去除卤素。发现氟乙酸可被一种称为卤代乙酸卤代水解酶的酶脱氟，但三氟乙酸以及三氯乙酸未显示任何脱卤作用。研究详细且技术复杂。文章指出了碳-氟键的异常稳定性，并得出结论：“碳-氟键的稳定性，加上氟碳化合物在现代生活中的日益广泛使用，表明含有碳-氟键的化合物至少对环境构成潜在威胁”。
这是一个针对有机氟化学物质持久性所引发问题的早期警告。它几乎与Molina和Rowland提出CFCs消耗平流层臭氧假说的研究同时发生。这种效应的发生正是因为CFCs在对流层中的异常稳定性，使它们能够到达平流层，这正好印证了Goldman所表达的担忧。
随后，进行了大量研究以阐明CFCs及各种CFC替代品在对流层中的行为机制。Schwarzbach总结了部分这项工作，这是大气轨迹与水陆轨迹研究重叠的另一个例子。Schwarzbach指出，几种重要的CFC替代品在对流层中会化学转化为TFA。TFA与其母体化合物相反，是极其持久的PFAS，并随雨水沉积到地表介质中积累。Schwarzbach的这一分析将早期对持久性化学物质的担忧与当前关于PFASs作为存在于所有环境介质及人类食品和饮用水中的化学物质的科学与政治讨论联系了起来。
大局观：增长的极限
当Goldman表达对有机氟化学物质稳定性的担忧，以及Molina和Rowland提出CFCs消耗臭氧层的假说时，这是促成更广泛讨论的两个因素。1972年，《增长的极限》一书出版，首次明确表达了全球层面资源开采和污染产生的行星极限。这本书的影响超越了科学领域，引起了轰动，并激发了首次关于现代经济整体极限及其相关生活方式的国际性全面讨论。化学物质并未在LtG对全球经济、人口、资源消耗和污染产生的系统建模中得到明确考虑；污染由二氧化碳排放代表。对化学物质作为污染明确组成部分的忽略，可能是由于20世纪60年代末缺乏足够全面的化学生产和排放数据。
然而，在LtG出版之时，由于Rachel Carson的《寂静的春天》的影响，化学物质作为对人类健康和环境的威胁已得到充分认识。Carson也提供了一些数字：“新化学物质从我们的实验室源源不断地涌出；每年仅在美国就有近五百种找到实际用途。这个数字令人震惊，其含义不易理解——每年有500种新化学物质，人类和动物的身体必须以某种方式适应它们，这些化学物质完全超出了生物经验的范畴。”
LtG对全球系统的建模是使用一个相当简单的名为World3的“世界模型”进行的，该模型包含了模型变量之间的相关相互作用和反馈循环。模型结果并非旨在代表预测，而是说明了不同可能发展的情景。模型的标准运行显示人口、工业产出、粮食生产等在21世纪的前三分之一达到峰值，随后急剧下降。
一方面，LtG激发了公众对现代开采型经济全球影响的担忧（和反思）；它也促成了寻求新生活方式的社会运动，包括美国总统Jimmy Carter节约能源的尝试；物理学家Fritjof Capra、人类学家Gregory Bateson等人宣扬的“新时代”概念。另一方面，这本书及其发现遭到了经济学家和许多政治家的嘲笑，其主要发现被认为是对现代社会持续进步观念的侮辱。然而，增长存在（硬性）极限的概念在二战后的繁荣之后首次被提出并进行了定量论证。作为围绕LtG工作的一个新要素，Turner和Herrington发表了与World3模型参数相对应的经验数据分析。这些覆盖约40年的数据系列从经验上证明，全球经济的当前发展路径接近World3模型的标准运行。
LtG和地球边界概念代表了两个互补（且重叠）的框架，都表明当前指数增长趋势及其相关的资源开采和废物产生（使用后释放到环境中的化学物质是废物的一种形式）日益在全球范围内造成有害影响。化学工业占所有工业部门二氧化碳排放量的18%，以及全球燃烧相关二氧化碳排放量的5%，这表明化学污染与温室气体排放之间存在紧密联系。LtG和地球边界这两个概念都强调，全球经济的许多影响是相互依存并可能相互强化的，且其根本驱动因素无法单独管理。此外，许多地球边界威胁与大气、水体和陆地环境化学的大规模、不可逆变化有关：消耗臭氧层物质；二氧化碳和其他温室气体；燃烧过程产生的大气气溶胶；导致海洋酸化的二氧化碳；大量氮和磷的迁移；以及全球合成污染物的大量排放。
具体在合成化学物质背景下，具有特定化学影响的全球合成污染物以及作为严重依赖化石燃料过程的全球化学品生产，都构成了地球边界威胁。
早期警告，但未汲取教训
1992年，《关于环境与发展的里约宣言》发布。其原则15呼吁对“严重或不可逆转损害的威胁”采取预防性方法。这反映了国际社会对长期威胁以及在后果完全显现之前应对这些威胁的必要性的认识。
欧洲环境署在两份关于“早期警告的迟来教训”的广泛报告中调查了几个化学污染问题，并分析了这些污染问题从早期警告到明显影响以及（往往迟来的）行动的历史。Foss Hansen等人将EEA报告的框架应用于PFAS案例，探讨了尽管有许多强烈迹象表明PFAS问题严重且失控，但仍缺乏有效行动的原因。具体而言，他们确定了四个因素：当局长期依赖行业采取自愿措施；在监管措施中没有采用分组方法，也没有公认的方法从少数研究充分的化学物质外推到更大的类别；强烈关注“显著风险”，而这些风险仅在化学物质广泛使用很长时间后才会显现；PFASs已在大量应用中无处不在，这构成了技术锁定。
总之，这四个因素合理解释了缺乏行动的原因，不仅针对PFASs，也适用于其他全球合成污染物，特别是塑料。“显著风险”在特定类型化学物质使用的早期阶段尚未显现，而其应用却越来越广泛。只有当化学物质被大量使用和排放时，影响才变得足够强烈和明显，但此时锁定效应使得行动缓慢且无效。
关键的后续问题是，安全与公正的地球系统边界概念是否能帮助克服这些障碍。对于已造成严重全球影响的几类全球合成污染物，科学证据早已存在。因此，阻碍解决方案的与其说是科学知识的缺乏，不如说是化学物质管理中仍然不足的方面，正如公正的地球系统边界的公正性组成部分所暗示的：化学污染，特别是全球合成污染物造成的污染，导致了利益和负担的不公正分配。环境公正的这一方面迄今尚未得到充分利用，应给予更强有力的强调。Gupta等人广泛讨论了引入公正的地球系统边界，但完全忽略了合成化学物质的污染。我们坚持认为，合成化学物质的污染也对人类健康和环境影响的不公正分配做出了巨大贡献，应明确纳入公正的地球系统边界概念，我们建议将此作为未来地球系统边界概念工作的一项重要任务。
启示
地球边界概念是一个有用的框架，用于可视化、量化和沟通全球性威胁。它还表明，若干威胁是相互关联的，并且许多是由各种类型化学物质的人为排放引起的，从氮和磷到二氧化碳、消耗臭氧层物质，以及“新实体”类别中的大量其他化学物质。在新实体类别中，为全球合成污染物定义地球边界最为有效，因为其排放源、环境归宿和不利效应相对明确且具有全球相关性，这使得地球边界威胁的观点令人信服。这也是Rockstr?m等人将CFCs单独列出并赋予其独立的地球边界威胁的逻辑，尽管它们与PFASs或塑料一样都是全球合成污染物。可以为全氟辛酸定义新的地球边界威胁，其全球威胁反映了全氟辛酸是一种人类致癌物的事实；也可以为三氟乙酸定义，其全球威胁源于三氟乙酸可能具有生殖毒性。这也与Persson等人的观点一致，他们指出“‘化学污染’在地球边界框架中并非单一类别”。
关于持久性、全球存在的化学物质所带来的全球威胁的许多见解更早之前就已提出，甚至早在20世纪60年代和70年代。随着《增长的极限》的出版，也出现了一个处理过度资源消耗和废物产生这一更广泛问题的早期框架。鉴于自20世纪70年代以来其影响和相关担忧只增不减，有必要更加关注全球合成污染物带来的全球威胁。具体而言，我们看到了几个值得汲取的教训以及相关的行动机会：
首先，在与合成化学物质相关的地球边界威胁中，突出的特性是持久性。环境持久性可以促进化学物质的全球分布（以及相关的长期、大规模人类暴露及随之而来的效应）。因此，应尽可能严格避免使用持久性化学物质。这并不意味着非持久性但高毒性的化学物质就不是问题，但问题的类型和结构不同，需要不同的管理方法。通常，化学物质的不良效应只有在多年使用后才被发现和理解。例如，全氟辛酸在进入市场75年后，才于2024年被正式认定为人类致癌物。毒性不明显但高度持久的化学物质需要给予更高关注，即使其毒性不显著，也应避免使用。塑料是这个问题的一个特别突出的例子。许多塑料通常被认为无毒，但高度持久，其持久性导致了全球生态系统中巨量废塑料的积累，产生了包括非聚合塑料添加剂的影响以及从风化中缓慢释放的微塑料、纳米塑料和各种浸出物在内的广泛大规模影响。
其次，为了减轻因待评估化学品数量巨大而给监管机构带来的压倒性负担，应更频繁地使用分组方法，例如针对PFASs和双酚类物质，但可能也适用于其他类似物质组。化学分组的一个主要优势是，受限制或被禁用的化学物质不能被同一组中的类似化学物质所替代。从市场上化学品数量巨大得出的第二个结论是，需要减少化学品的用途数量，因为监管机构的能力在近期内不太可能大幅提高。
第三，需要对新化学品进行更好、更有效的上市前评估。大量化学品在没有充分评估的情况下进入市场是一个问题。“安全与可持续设计”概念为更广泛、更系统地评估新化学产品提供了方法，并为选择问题较小的物质提供了指导。
第四，化学品的大量使用会导致锁定效应，因为许多使用者依赖该化学品。即使此类化学品的不良效应为人所知，生产者和使用者也不愿开始向问题较少的替代品过渡，因为这可能涉及大量的努力和成本。双酚类和PFASs就是例子。应支持被锁定化学品的替代品的开发和供应，而不仅仅是关注对“已确立”化学品的需求。替代品可以是技术或材料解决方案，而非简单的直接化学替代品。技术替代包括流程或技术装置的不同设计，从而可能消除对某种化学品的需求。一个技术替代的例子是在镀铬槽中应用负压，这使得无需使用全氟辛烷磺酸作为抑雾剂成为可能。材料替代品可以起到类似功能，并消除有害化学品的使用，例如，使用玻璃纤维绝缘材料代替需要氟化气体作为发泡剂的泡沫产品。除了使用替代品外，通过证明某些产品功能是非必需的来减少需求，例如在某些不需要防污功能的消费纺织品中，可能是消除问题化学品需求的更有效方法。
鉴于所有这些，描述化学品地球边界威胁问题的充足科学知识体系已经存在。瓶颈在于采取更有效行动以对抗和避免此类问题的步骤。这不是一个科学问题，而是政治进程是否利用（或不利用）科学信息的问题。科学家可以并且也应该参与这一进程，但这需要合适的平台，即从区域到国家和国际层面的科学-政策接口机构，以实现科学知识向政治进程的结构化和持续转移。一个例子是近期瑞士自然科学学院在瑞士议会关于PFASs的讨论中所做的努力，其中包括国会议员与科学家的会面、为国会议员在内的普通受众准备PFASs情况说明书，以及科学家直接针对国会议员就PFASs议会讨论发表意见文章。另一个例子是加利福尼亚州的环境健康危害评估办公室，它促进了科学意见输入该州的法规制定。此类互动不应是例外，而应成为常态，以提高对累积性全球合成污染物不可逆威胁的认识并采取行动。如果没有系统性的改革，科学家们就有可能像一张破唱片——代代重复着相同的信息，而无作为则使全球污染持续下去。
