危害性评分：一种基于数据的框架，用于对微塑料的环境风险进行排序

《Macromolecular Rapid Communications》：Harmfulness Score: A Data-Driven Framework for Ranking Environmental Risks of Microplastics

基于104,471篇文献的机器学习与文献计量分析，构建了微塑料危害评分模型，发现聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE）因与氧化应激、细胞毒性等关联最强成为最高风险材料。研究揭示了环境政策、生物效应等主题主导，但关键物理化学特性（如尺寸、密度）数据缺失制约建模。提出标准化数据报告、优先替代高风险聚合物及整合纳米材料评估的政策框架。

　　近年来，随着对微塑料和纳米塑料污染的广泛关注，科学家们对这类材料的生态影响和潜在危害展开了深入研究。通过对104,471篇科学摘要进行文献计量分析和机器学习建模，研究人员构建了一个综合的“危害性评分”系统，用于评估不同塑料材料在环境和生物领域中的潜在风险。该评分结合了情感分析、影响性关键词频率以及网络中心性指标，揭示了某些塑料材料在科学文献中的高关联性，特别是聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE），它们与氧化应激、细胞毒性和基因毒性等术语高度相关，反映了其在研究中的重要地位。

这一研究还发现，关于微塑料和纳米塑料的某些关键物理化学特征，如颗粒尺寸、密度和表面积，在文献中的报告频率较低。颗粒尺寸仅出现在3.91%的摘要中，密度仅占0.01%，表面积则不足0.01%。这种数据的缺失限制了它们在计算模型和风险评估中的应用，也凸显了在科学文献中对基础数据标准化的迫切需求。同时，研究揭示了多个研究主题的聚集趋势，包括环境政策、生物影响、微生物降解、酶促转化以及法律与政策的交叉领域。这些发现表明，未来需要更全面的分析框架来提升研究的可重复性和政策相关性。

在研究过程中，研究人员还对微塑料的颗粒尺寸分布和形态趋势进行了分析。结果显示，微塑料颗粒的尺寸呈现多峰分布，从0.065毫米到5毫米不等，表明了微塑料在不同尺度上的广泛存在。颗粒形态的分布也显示出明显的趋势，如纤维、薄膜、碎片等，这些形态与特定的塑料类型密切相关。例如，聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）在“颗粒”形态中占据主导地位，而聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）则在“纤维”和“薄膜”中表现突出。此外，热图分析进一步揭示了塑料与纳米材料之间的联系，表明某些纳米材料与特定塑料的结合在环境和功能研究中具有重要意义。

在对塑料种类、形态及其相互关系的分析中，研究人员发现，红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）是最常用的分析技术，随后是拉曼光谱、热解、X射线衍射（XRD）等。这些技术的使用频率反映了微塑料研究的现状，同时也显示出机器学习和人工智能在这一领域中的应用正在增加。例如，主成分分析（PCA）和神经网络的使用频率分别达到774和535，这表明研究正在向自动化和智能化方向发展。研究还指出，某些塑料如聚乳酸（PLA）和聚酰胺（PA）虽然被认为是可生物降解的材料，但在环境中仍表现出一定的持久性，这提示我们需要更加全面地评估它们的生态影响。

此外，研究还分析了塑料与纳米材料之间的相互作用，这在环境和生物风险评估中具有重要意义。例如，聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）与二氧化钛（TiO?）、氧化锌（ZnO）和银纳米颗粒（AgNPs）的结合频率较高，这些结合在实验中显示出增强的毒性效应。这种增强的毒性可能源于纳米材料在特定环境条件下的释放，例如在紫外线或酸性条件下，纳米材料可能通过产生活性氧（ROS）来增加微塑料的毒性。研究还指出，微塑料与纳米材料的协同作用在实验室研究中得到了广泛验证，但实际应用中仍存在一定的不确定性，需要进一步的长期研究和多学科合作来弥补这一不足。

研究进一步探讨了微塑料对环境和生物系统的影响，包括对土壤微生物活动和生物地球化学的影响，以及对植物光合作用和基因表达的干扰。这些影响可能削弱生态系统的碳汇能力，增加温室气体（GHG）的排放。研究还指出，微塑料和纳米塑料的广泛存在可能对蓝碳生态系统如海草床、红树林和潮间带产生深远影响，削弱这些关键生态系统的气候缓解能力。此外，微塑料在土壤、水体和大气中的分布进一步加剧了这些压力，显示出其在不同环境中的广泛影响。

研究还揭示了不同国家和地区在微塑料和纳米材料研究中的分布情况。例如，中国在多个塑料种类和纳米材料的文献中出现频率最高，而印度、德国、意大利和西班牙则在研究中表现出一定的影响力。这种分布表明，研究资源和关注点在不同地区存在不均衡现象，需要全球范围内的合作和标准化来改善这一状况。研究还指出，微塑料和纳米材料的文献中存在一定的术语不一致问题，例如“纤维”与“微纤维”的混淆，这影响了数据的可比性和一致性。

为了应对这些挑战，研究提出了一个基于机器学习的三轴政策框架，旨在缓解微塑料和纳米材料的风险。第一轴聚焦于技术信息标准化，强调建立统一的术语分类和元数据标准，以提高数据的可比性和可重复性。第二轴关注基于危害性评分的监管优先级，通过科学证据来指导对高风险塑料的替代策略。第三轴则提出对纳米材料的综合评估，强调标准化的实验方法和元数据整合，以提高风险评估的准确性和可靠性。这些政策框架的实施需要多学科合作和政策创新，以确保科学和监管成果能够转化为可扩展的、社会认可的环境解决方案。

综上所述，这项研究通过构建和验证“危害性评分”系统，提供了一种评估微塑料和纳米塑料潜在风险的量化方法。该评分结合了情感分析、影响性关键词频率和网络中心性指标，使不同塑料材料的环境和生物影响得以比较。研究还指出，未来需要更多的跨学科合作和政策创新，以应对微塑料污染带来的挑战。同时，研究强调了在科学文献中建立统一的术语分类和元数据标准的重要性，以提高数据的可比性和可重复性。这些研究结果不仅为科学界提供了新的视角，也为政策制定者和研究人员提供了重要的参考依据，支持更加科学和有效的环境管理策略。