《PLOS Sustainability and Transformation》：Environmental impacts of laboratory and scientific equipment: Focus on equipment operation and procurement
编辑推荐：
气候变化和环境可持续性是科学和政策领域的主要优先事项。科学家们开始认识到自身活动具有直接和间接的环境影响。这些影响源于开展科学研究（尤其是实验室）中的材料与能源使用以及废弃物产生。本文中，研究人员基于日益增长的测量和管理这些环境影响的努力，对广泛使用的科学和实
气候变化和环境可持续性是科学和政策领域的主要优先事项。科学家们开始认识到自身活动具有直接和间接的环境影响。这些影响源于开展科学研究（尤其是实验室）中的材料与能源使用以及废弃物产生。本文中，研究人员基于日益增长的测量和管理这些环境影响的努力，对广泛使用的科学和实验室设备进行了从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA）。研究人员考虑了加拿大政府实验室使用的3000多件设备。本研究在四个方面做出贡献。第一，尽管先前研究已考察了实验室消耗品和其他影响驱动因素（如建筑能耗和交通运输），但本研究将注意力引向实验室和科学设备的环境影响。第二，本研究展示了一种新颖的方法，用于筛选大量且多样化的设备，以优先关注具有最高潜在环境影响的设备。第三，本研究在系统边界（即从摇篮到坟墓）和环境影响（即超越温室气体排放）方面拓宽了评估范围。最后，本研究通过强调由设备生命周期概况（life cycle profile）启发的杠杆点（leverage points），将设备层面的LCA结果与可持续性转型联系起来。研究结果表明，实验室和科学设备倾向于使用密集型（use-intensive），例如在冰箱和冰柜的案例中，使用阶段约占生命周期温室气体（GHG）排放的97%。然而，这种生命周期概况因环境影响指标（如气候变化、酸化、烟雾形成和生态毒性）以及设备使用频率（即每年运行小时数）的变化而不同。某些设备，如扫描电子显微镜（scanning electron microscopes），可能是生产密集型（production-intensive）。这些发现表明，实验室设备的可持续性转型需要考虑设备的生命周期概况，并涉及超越采购决策的杠杆点。
作者总结：科学家们开始认识到自身活动，尤其是在研究实验室中设备的采购和运行，对气候变化和其他环境影响有贡献。在本研究中，研究人员考虑了加拿大政府实验室使用的3000多件科学和实验室设备。研究人员开发了一种新方法来筛选具有最高潜在环境影响的设备。对高影响设备的分析表明，实验室和科学设备倾向于使用密集型，这意味着最大的影响来自设备运行——主要是实验室冰箱、泵和压缩机等设备的电力使用。然而，这可能因设备使用强度（即小时/天和天/周）以及所考虑的环境影响类型（气候变化、毒性等）而变化。这些结果表明，减少环境影响的行动需要基于对这些影响最大来源的评估。影响减少措施必须扩展到设备采购决策之外。
**论文解读：实验室与科学设备的环境影响——基于生命周期评估的可持续性转型分析**
**研究背景与问题**
气候变化与环境可持续性已成为全球科学和政策领域的核心议题。科学家群体逐渐认识到，其自身的研究活动，尤其是实验室运营，会直接或间接产生环境影响。例如，实验室单位面积能耗可达办公楼的5至10倍。现有研究主要关注实验室消耗品（如化学溶剂、一次性耗材）以及建筑能耗和交通等影响驱动因素，但对实验室和科学设备本身的环境影响关注不足。设备从原材料提取、制造、运输、使用到最终处置的整个生命周期（从摇篮到坟墓）中，每个阶段都可能产生显著的环境负荷。然而，由于设备种类繁多、数据获取困难，缺乏系统性的评估方法。此外，常用的环境扩展投入产出分析（EEIO）在评估产品层面环境影响时存在高度聚合性、忽略使用和报废阶段等缺陷，难以有效指导可持续性转型。为此，本研究旨在通过生命周期评估（LCA）方法，评估广泛使用的科学和实验室设备的环境影响，识别关键环境热点，并探讨其与设备采购及运行相关的可持续性转型杠杆点。
**研究内容与结论**
研究人员对加拿大政府实验室使用的超过3000件设备进行了筛选与评估，最终聚焦于泵、压缩机、冰箱和冰柜、二氧化碳培养箱以及扫描电子显微镜等高影响设备。研究采用从摇篮到坟墓的LCA方法，涵盖生产、分配、使用和报废四个阶段，并评估了气候变化、酸化、烟雾形成、生态毒性等多项环境影响指标。结果表明，实验室和科学设备总体呈现使用密集型（use-intensive）趋势，即使用阶段（主要为电力消耗）占据生命周期环境影响的主导地位，例如冰箱和冰柜的使用阶段贡献了约97%的温室气体排放。然而，这一生命周期概况因环境影响指标和设备使用频率而异。例如，泵和压缩机在生产阶段对酸化、人体致癌性等指标有显著贡献；而扫描电子显微镜在所有环境影响指标上均表现为生产密集型（production-intensive），其生产阶段（尤其是金属部件制造）是主要影响来源。使用频率的变化（如从连续运行到低频率运行）可显著改变生命周期概况，甚至使设备从使用密集型转变为生产密集型。此外，研究还发现分配和报废阶段对总体环境影响贡献较小，但扫描电子显微镜和二氧化碳培养箱的报废阶段（尤其是铜废料处理）对生态毒性有显著影响。
**研究方法**
本研究采用的主要关键技术方法包括：
1. **设备筛选方法**：基于环境和经济标准，开发了一种新颖的筛选方法。首先利用联合国标准产品与服务代码（UNSPSC）对3470件设备进行分类，为每类设备选择LCA代理产品（proxy product），主要来自ecoinvent数据库或学术文献，估算每件设备生产阶段和报废阶段的温室气体排放，并结合使用阶段电力消耗数据，计算年度化生命周期排放。根据贡献度（≥1%总排放）和经济价值（≥2%总购置成本）确定高影响设备类别。
2. **生命周期评估方法**：对筛选出的高影响设备（泵、压缩机、冰箱和冰柜、二氧化碳培养箱、扫描电子显微镜）进行完整的从摇篮到坟墓LCA。使用OpenLCA软件（版本2.5.0）和TRACI 2.1方法，评估10项环境影响指标（包括全球变暖潜势、酸化潜势、富营养化潜势、烟雾形成潜势、颗粒物形成、人体致癌效应、人体非致癌效应、生态毒性效应等）。前景数据（设备质量、功率、使用频率、预期寿命）来源于加拿大实验室，背景数据（材料生产、制造、电力供应、报废处理）来源于ecoinvent数据库。
3. **情景分析与贡献分析**：通过使用频率情景（低、基线、高）分析设备使用强度对生命周期结果的影响，并通过贡献分析识别各生命周期阶段的环境热点。
**研究结果**
**2.1 泵**
泵的生命周期概况在不同环境影响指标间差异显著。基线情景下，使用阶段在所有指标中贡献较大，但在酸化、烟雾形成方面生产阶段也占重要比例。对于直接与人体和生态健康相关的指标（致癌效应、非致癌效应、颗粒物形成、生态毒性），生产阶段占主导或与使用阶段相当。低使用频率（52小时/年）下，泵在所有指标上均高度生产密集型。
**2.2 压缩机**
压缩机的生命周期概况与泵相似，使用阶段主导，但生产阶段在某些指标（如酸化、烟雾形成）上贡献显著。
**2.3 冰箱和冰柜**
冰箱和冰柜在所有环境影响指标上均为使用密集型，使用阶段（连续运行）贡献超过90%以上。
**2.4 二氧化碳培养箱**
二氧化碳培养箱的生命周期概况类似冰箱，但使用阶段增加了二氧化碳气体作为消耗品（假设全部释放）。低使用频率（130小时/年）下，环境影响大幅降低，且在酸化、烟雾、颗粒物形成及人体毒性方面转为生产密集型。报废阶段（尤其是铜废料处理）在生态毒性上占主导。
**2.5 扫描电子显微镜**
扫描电子显微镜在所有环境影响指标上均为生产密集型，生产阶段占主导。报废阶段对生态毒性有显著贡献（铜废料处理）。即使在高使用频率（2912小时/年）下，使用阶段仍不占主导，因其功率仅约1200W，但质量达1000kg，且设计高度专业化。
**讨论与结论**
研究人员指出，本研究不仅提供了实验室和科学设备的新LCA数据，还展示了基于UNSPSC分类和LCA代理产品的筛选方法，其优势在于避免EEIO的高度聚合性，并覆盖使用和报废阶段。结果揭示，设备倾向于使用密集型，但使用频率、功率和电力来源可线性影响使用阶段贡献。对于生产密集型设备（如扫描电子显微镜），深层杠杆点（如供应链材料优化）至关重要。研究提出三个可持续性转型教训：第一，转型干预需针对生命周期概况识别的杠杆点；第二，浅层干预（如调整冰箱温度设定点）若针对热点，可高效减少环境影响；第三，可持续性措施需超越采购决策，考虑设备共享等杠杆点。
**结论翻译**：在本文中，研究人员对广泛使用的科学和实验室设备进行了从摇篮到坟墓的生命周期评估，考虑了加拿大政府实验室使用的超过3000件设备。研究结果表明，这些设备倾向于使用密集型（即生命周期环境影响的最大份额归因于设备运行）。然而，生命周期概况因环境影响指标（如气候变化、酸化、烟雾形成和生态毒性）以及设备使用频率（即每年运行小时数）的变化而不同。某些设备，如扫描电子显微镜，可能是生产密集型，即生命周期概况由设备的上游生产主导。从可持续性转型的视角来看，LCA结果表明，可持续性干预需要考虑设备的生命周期概况，并涉及超越采购决策的杠杆点。
