面向安全可持续化学品生产的跨学科研究进展与未来展望：Mistra SafeChem计划成果分析

《Communications Chemistry》：Progress and future outlook towards a safe and sustainable production and use of chemicals

本刊推荐：为应对欧盟化学品可持续发展战略(CSS)与"安全与可持续设计"(SSbD)框架的实施挑战，Mistra SafeChem研究计划通过整合催化技术、危害筛查与生命周期评估(LCA)方法，开发了包括USEtox/ProScale评估工具、纳米铜催化剂等创新成果，为化学品绿色转型提供了跨学科解决方案，对推动化学工业可持续发展具有重要指导意义。

　　

随着全球化学工业面临气候变化和化学安全的双重压力，欧盟在2020年推出《化学品可持续发展战略》(CSS)，提出"安全与可持续设计"(SSbD)框架，要求化学品从研发阶段就整合安全性、循环性和功能性考量。然而，实现这一目标需要跨越学科壁垒，开发新的评估工具和生产工艺。在这一背景下，由瑞典环境研究所IVL牵头，联合学术界和工业界开展的Mistra SafeChem研究计划应运而生。

这项发表在《Communications Chemistry》的研究，通过跨学科合作在催化技术、危害评估和可持续性分析等领域取得突破性进展。计划汇集了化学家、生物化学家、毒理学家等不同领域专家，以及包括基础化学品生产商、制药企业和汽车制造商在内的14家企业，形成了产学研协同创新的独特模式。

研究采用的多学科方法主要包括：计算毒理学工具开发（采用机器学习与AI技术预测毒性终点）、高分辨率质谱非靶向筛查技术、高通量细胞成像毒性测试系统、生命周期影响评估模型（USEtox和ProScale）优化、新型催化工艺开发（包括金属催化和生物催化）以及废弃物增值利用技术。

危害与暴露筛查工具开发

研究团队建立了结合计算、体外和生物分析方法的综合筛查框架。在计算毒理学方面，开发了基于机器学习的人工智能模型，能够预测突变性、眼刺激性、心血管疾病风险和激素干扰等人类毒性终点。特别值得注意的是采用保形预测理论（conformal prediction theory）的模型，能为每个预测提供不确定性参数和适用性域度量，大大提高了预测结果的可靠性。针对复杂基质中化学品的非靶向筛查，研究建立了基于高分辨率质谱（HRMS）的工作流程，可同时检测超过39,000种分子特征，并结合MS2Tox机器学习模型直接从质谱信息预测生态毒性。

生命周期评估与管理

研究重点推进了生命周期影响评估（LCIA）方法的发展。USEtox模型从主要关注水生生态毒性和环境暴露导致的人类健康影响，扩展到包括产品中化学品的影响评估，并发布了测试版USEtox 3.0。ProScale方法则从主要关注工作场所毒性影响扩展到生态毒性评估。通过自动化高通量工作流程和机器学习技术，研究还建立了填补化学品特性数据空白的有效方法，对市售化学品的参数覆盖率从1-10%提升到8-46%。

催化、生物催化与废弃物增值

在催化技术领域，研究取得了多项创新成果：开发了新型可持续催化工艺，包括生物催化和新颖氧化方法，以及温和条件下选择性构建碳-碳和碳-杂原子键的新方法；设计了混合催化剂、双功能催化剂和化学酶级联系统，实现多步转化在单一合成步骤中完成；开发了基于丰富金属（如镍）的催化剂替代稀缺贵金属，显著降低了碳足迹。特别值得一提的是，研究成功将纺织品废弃物升级再造为纳米纤维素材料，并开发了从混合织物（棉/聚酯和棉/丙烯酸）中提取纤维素纳米晶体（CNC）和纳米纤维的多种路线。

多学科方法实现安全可持续设计

通过多个案例研究展示了SSbD工具的实际应用：在纺织品废弃物升级再造案例中，通过非靶向筛查和筛选LCA比较了传统硫酸法和新型柠檬酸法生产CNC的环境影响，发现从纺织品生产CNC比从木材生产具有显著环境优势，但柠檬酸水解工艺的环境负担较高，从而推动了柠檬酸回收方法的发展（回收率约60%，纯度超过90%）。

在新型氢化反应工艺的可持续性评估案例中，通过危害评估和LCA支持开发了以镍替代钯或铂、以电化学产氢替代化石燃料产氢的催化方法。筛选LCA显示，镍泡沫催化剂可循环使用至少15次，虽然当前能源结构下某些影响类别表现不如传统方法，但在更可持续的能源情景下具有明显优势。

在化妆品中硅氧烷和硅酮的案例研究中，应用Mistra SafeChem工具箱对175多种硅酮替代成分进行了系统评估，遵循SSbD框架逐步筛选出最安全可持续的替代品。研究发现某些酯类成分在生产和使用阶段均表现出比传统硅氧烷更低的 impacts。

监管视角与未来展望

研究还从监管角度分析了欧盟化学品相关政策的发展趋势，包括REACH法规的更新、CLP法规中新危害标准的实施、产品生态设计法规（ESPR）的生效等。这些监管发展为工业界实施SSbD提供了强有力驱动。

研究结论强调，实现化学工业的安全可持续转型需要跨学科合作和方法创新。Mistra SafeChem计划开发的工具和方法为SSbD框架的实施提供了实用范例，特别是在早期危害评估、生命周期影响评估和可持续催化工艺方面取得了显著进展。数字化和人工智能技术在化学品风险评估中的应用将越来越重要，但需要确保结果的可靠性和不确定性量化。未来需要继续将安全可持续化学概念融入化学家和材料科学家的教育中，同时加强循环经济背景下的材料设计，避免有害化学品对未来材料循环利用造成障碍。

该研究的意义在于为化学工业的绿色转型提供了切实可行的技术路径和方法支持，其跨学科合作模式和创新成果对实现欧盟绿色协议目标和联合国可持续发展目标具有重要贡献。随着2025年《斯德哥尔摩未来化学宣言》的发布，这种关注安全可持续化学的研究方向将获得更广泛的社会认可和推动。