开发多组分和高长宽比纳米材料的表征参数：推进生命周期影响分析中的毒性评估

《Science of The Total Environment》：Developing characterization factors for multi-component and high aspect-ratio nanomaterials: Advancing toxicity assessment in life cycle impact analysis

本研究开发了针对多组分纳米材料（MCNM）和高等比表面积纳米粒子（HARN）的非平衡胶体环境命运模型，推导出纳米材料在空气、水、沉积物和土壤中的命运因子（FFs），并计算了特征因子（CFs）。案例研究表明，nZnO-Mn和AgNWs在沉积物中的驻留时间最长（超39000天），显著高于其他介质。敏感性分析显示溶解率是影响水相CFs的主导因素。研究结果强调需精确量化纳米材料溶解率及完善毒理数据，以提升生命周期评估（LCA）中纳米材料的环境影响评估准确性。

　　

丁天然|埃洛里·伊戈斯|米歇尔·赛达尼|恩里科·贝内托|卡希娜·梅亨纳乌伊|玛丽安·乌因|阿尔贝托·拉拉兹·特赫罗|布兰卡·波苏埃洛·罗隆|索尼娅·马尔特尔-马丁|马里奥·圣地亚哥-埃雷拉

卢森堡科学技术研究院（LIST）环境可持续性评估与循环利用部门，地址：5, Avenue des Hauts-Fourneaux, L-4362, Esch-sur-Alzette, 卢森堡

摘要

本研究在USEtox框架内推进了命运因子（FFs）和特征因子（CFs）的发展，以填补多组分纳米材料（MCNM）和高长径比纳米颗粒（HARN）生命周期影响评估（LCIA）中的空白。我们采用了一种针对MCNM和HARN定制的非平衡胶体环境命运模型，推导出纳米材料（NMs）向空气、淡水、沉积物和土壤的排放命运因子。对掺锰的纳米氧化锌（nZnO-Mn）和银纳米线（AgNWs）的案例研究表明，这两种材料在沉积物中的停留时间最长（FFs超过39,000天），其次是土壤（分别为130.9天和25.9天和57.8天），而在淡水中的停留时间最短（分别为22.6天和3.4天）。计算出的nZnO-Mn和AgNWs的CFs略高于文献中ZnO和Ag纳米颗粒的值，但至少低一个数量级。这种差异归因于纳米材料在淡水中的溶解速率高于块状金属。敏感性分析进一步表明，溶解速率是影响淡水CFs的主要参数，超过了纳米材料的特定性质（如密度、直径和长度）。这些发现强调了精确量化溶解速率和改进毒理学数据的必要性，以确保CFs的稳健发展，从而更好地将纳米材料整合到生命周期评估（LCAs）中。未来的工作应优先考虑开发纳米材料对人类健康影响的CFs，以指导可持续纳米技术的应用。

引言

纳米材料（NMs）凭借其高表面积和小尺寸的特性，已成功渗透到包括医疗保健、家电和电子在内的多个行业（欧盟委员会，2015年）。尽管它们在性能上优于传统产品，但对其对生态系统和人类健康的潜在毒性的担忧日益增加（Buist等人，2017年；Donaldson和Poland，2013年；Love等人，2012年；McClements和Xiao，2017年；McShan等人，2014年）。鉴于纳米材料的排放可能发生在生产、使用和处置过程中，因此量化其整个生命周期的影响至关重要（Ettrup等人，2017年）。

生命周期评估（LCA）被广泛认为是评估纳米产品和过程从摇篮到坟墓的环境性能的合适工具（Beloin-Saint-Pierre等人，2018年）。然而，其应用面临挑战，特别是缺乏先进材料的特征因子（CFs）（Beloin-Saint-Pierre等人，2018年）。CFs在生命周期影响评估（LCIA）阶段用于将排放或资源消耗转化为可量化的环境影响（ISO，2006年）。联合国环境规划署-SETAC生命周期倡议开发了一种名为USEtox的共识LCIA方法（Rosenbaum等人，2008年），但它缺乏纳米材料排放的CFs（Owsianiak等人，2023年）。因此，与纳米材料相关的影响要么被排除在LCA结果之外，要么使用代理值和过于简化的假设进行估算，这可能导致不准确的影响评估和错误的决策。这种差距主要是由于纳米材料带来的独特挑战，包括它们的独特环境命运、传输机制和毒性特征，这些通常与传统材料不同（Romeo等人，2022年）。

为了解决这个问题，一些研究通过调整USEtox框架开发了新的CFs或中间因子（例如，命运或效应因子）。重点在于改进命运建模，因为纳米材料在环境中会经历复杂的动态命运过程，如聚集和附着，这些过程无法被USEtox捕捉。此外，USEtox中的命运因子建模没有考虑物质的尺寸，而这对于纳米材料在各个隔室中的分布至关重要。为了更好地捕捉纳米材料的特定性质，开发了SimpleBox4nano（SB4N）（Meesters等人，2016年；Meesters等人，2014年）、MendNano（Liu等人，2014年）和nanoFate（Garner等人，2017年）等模型。这些模型考虑了纳米材料在不同命运过程中的内在（如尺寸）和外在（如pH值）性质（Keller等人，2024年）。其中，SB4N已被用于USEtox中的更通用暴露评估和命运因子计算（Ettrup等人，2017年；Salieri等人，2019年）。

然而，这些研究主要集中在原始或简化的纳米材料上，而现实世界中的纳米材料应用通常是多组分纳米材料（MCNM），由多种主要成分组成，或者是高长径比纳米颗粒（HARN），例如纳米管和纳米片，它们在纳米尺度上只有一个或两个维度（<100纳米），不同于简化的纳米材料。在这种情况下，提出了一个名为“DIAGONAL”的欧洲研究项目（GA 953152），其中进行了一系列研究，以更深入地了解MCNM和HARN对环境和人类健康的风险。特别是，基于非平衡胶体框架开发了一个针对MCNM和HARN的环境命运模型（Larraz Tejero等人，2024年）。

本研究旨在确定MCNM和HARN在各种环境隔室中的环境命运因子，并推导出相应的淡水CFs。我们整合了纳米毒理学、环境命运建模和暴露评估的进展，创建了一个可以应用于不同纳米材料的框架。以下内容介绍了计算淡水CFs的方法，包括命运因子、暴露因子和效应因子的计算。然后，我们进行了敏感性分析，以确定最关键的参数。结果进行了展示，并对开发的CFs进行了批判性讨论，以及未来发展的讨论。

部分摘录

材料

本研究调查了两种代表性的纳米材料：掺锰的纳米氧化锌（nZnO-Mn）和高长径比纳米颗粒（AgNWs）。这两种材料在涂层、电子和抗菌应用以及功能性复合材料中具有商业相关性（Rahal等人，2025年；Sohn等人，2015年），使其适合作为评估MCNM和HARN在环境命运和毒性建模中的代理。

命运因子

所开发的FF（天数）结果显示了生物可利用纳米材料在各个隔室中的相对持久性（表4）。nZnO-Mn和AgNW在沉积物中的停留时间最长（分别为39,443.4天和39,376.2天），显著超过土壤（分别为130.9天）、空气（分别为25.9天和57.8天）和淡水（分别为22.6天和3.4天）。

根据Rosenbaum等人（2008年的定义），FF可以揭示化学物质在不同环境隔室中的分布情况。

讨论

本研究通过FF建模揭示了nZnO-Mn和银纳米线（AgNW）在环境隔室中的不同持久性模式（表4）。这两种纳米材料在沉积物中的有效停留时间最长，FF值超过39,000天。相比之下，水隔室中的停留时间最短（分别为22.6天和3.4天）。对于水、沉积物和土壤这三个排放隔室，nZnO-Mn和AgNW最终都倾向于在土壤和沉积物中积累。

结论

本研究提出了一个系统框架，用于开发复杂纳米材料的特征因子，填补了生命周期影响评估中的重大空白。通过整合针对多组分和高长径比纳米材料的先进命运建模，我们的发现证实沉积物和土壤是掺锰氧化锌纳米颗粒（nZnO-Mn）和银纳米线（AgNW）的主要长期储存库。所得到的FFs也揭示了不同的持久性特征。

术语表

NMs
纳米材料
HARN(s)
高长径比纳米颗粒
MCNMs
多组分纳米材料
nZnO-Mn
掺锰的纳米氧化锌
AgNWs
银纳米线
ZnO
氧化锌
Ag
银
FF
命运因子
XF
暴露因子
EF
效应因子
LCA
生命周期评估
CF
特征因子
PAF
潜在受影响比例
EC50
影响50%人口的有效浓度
HC50
EC50值的几何平均值
ED50
与吸入或口服暴露相关的终生有效剂量，导致

CRediT作者贡献声明

丁天然：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。埃洛里·伊戈斯：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。米歇尔·赛达尼：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、方法论、正式分析、数据管理。恩里科·贝内托：撰写——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由欧盟的Horizon 2020研究与创新计划（授权协议编号953152）在“Diagonal”项目的背景下资助。我们感谢Phornano和DTI提供有关其材料的信息和数据。同时，也感谢DIAGNAL项目的其他合作伙伴对纳米材料的反馈和信息。