安全与可持续设计（SSbD）框架中的毒性评估：工具适用性评价研究

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Toxicity Aspects in Safe and Sustainable by Design Framework: An Assessment of Tools

　　

安全与可持续设计（Safe and Sustainable by Design, SSbD）框架中毒性相关方面的评估依赖于多种工具和方法。每种工具和方法都有特定的目标和范围，需要了解其底层特征才能合理应用和解读结果。本研究评估了其中部分工具和方法。欧盟委员会联合研究中心（Joint Research Centre, JRC）开发了一项关于食品接触材料（food contact materials, FCM）中增塑剂的案例研究，以检验欧盟委员会SSbD框架的适用性。本研究利用该案例研究，评估了与SSbD相关受体（工人、消费者、环境和经由环境暴露的人群）相关的工具和方法。所评估的工具和方法分别是在风险评估（Risk Assessment, RA）背景下开发的（Chesar v.3.7.2、ConsExpo v.3和Vermeer v.3.4）以及在生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）背景下开发的（USEtox 3.0beta 6c和ProScale 1.5）。总体而言，这些工具的特征之间存在共同基础，这使得研究人员能够进行对齐调整以提高结果的一致性。然而，分析显示各工具结果之间的一致性有限，尤其是针对工人和消费者的评估结果，这主要源于各工具在不同应用情境下的方法论差异。针对环境方面分析的工具结果一致性略高。本研究可为SSbD框架的应用提供指导，帮助识别在选择最能满足毒性相关方面评估需求的工具和方法时最具相关性的要素。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

化学品暴露对人类健康和环境构成重大风险，因此在化学品和材料投放市场之前的创新早期阶段进行风险评估至关重要。欧盟委员会联合研究中心（Joint Research Centre, JRC）开发了第一版安全与可持续设计（Safe and Sustainable by Design, SSbD）框架，用于指导化学品和材料的创新与改进。该框架建立在两种成熟方法论之上：风险评估（Risk Assessment, RA）和生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）。RA通常基于危害特征、暴露途径、暴露人群和生态系统来评估化学品相关风险，计算风险表征比率（risk characterization ratios, RCRs）；而LCA则评估产品或技术生命周期中所有化学排放的累积毒性影响，使用表征因子（characterization factors, CFs）。

RA和LCA由专门的工具和方法支持，从中可推导出RCRs和CFs。然而，现有工具在范围、复杂性、内置假设和数据要求方面存在显著差异，没有单一工具具有普遍适用性。特别是在化学品创新早期阶段，关键数据往往缺乏，这限制了工具的可靠性，可能导致不确定甚至误导性的结果。JRC开发了一项关于食品接触材料（food contact materials, FCM）中非邻苯二甲酸酯增塑剂的案例研究，应用多种工具测试其在SSbD框架中的适用性。在此基础上，研究人员认识到需要分析这些工具的不同特征及其如何处理毒性相关方面，重点关注SSbD框架的具体需求和目标。

已有研究探讨了不同决策情境下特定工具的优势和局限性，但缺乏对各类工具在SSbD适用性背景下如何处理毒性相关方面的比较分析。本研究的创新之处在于将工具应用于同一SSbD案例研究，揭示其优缺点，最终目的是提高对工具选择和使用的认识，并提供一种可转移的方法论，供未来用户评估本研究之外的其他工具。

二、研究内容与主要结论

本研究以JRC开发的增塑剂案例研究为基础，系统分析了五种工具在SSbD框架中的应用。案例研究评估了多种整合到食品接触材料中的增塑剂：邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯（di(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP）以及五种已上市的潜在替代品：乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）、己二酸二(2-乙基己基)酯（DEHA）、对苯二甲酸二(2-乙基己基)酯（DEHT）、环己烷二羧酸二异壬基酯（DINCH）和环氧大豆油（ESBO）。所选最终产品应用是放置在玻璃罐金属盖下方的塑料内衬密封垫圈。

RA应用的工具包括：Chesar 3.7.2（由欧洲化学品管理局开发，嵌入ECETOC TRA用于工人和消费者RA，EUSES用于环境RA）、Vermeer FCM 3.4（用于塑料食品接触材料化学品RA的软件系统）和ConsExpo 3（由荷兰国家公共卫生与环境研究所开发，评估消费者产品中化学品暴露）。LCA应用的工具包括：USEtox 3.0beta 6c（UNEP/SETAC主持下开发的科学共识模型，用于表征化学品在产品和技术的生命周期中的人类毒性和生态毒性影响）和ProScale 1.5（基于CLP分类的危害分级和基于ECETOC TRA的暴露评分方法）。

研究人员从因果链的三个要素系统分析了工具：（a）化学品类型的覆盖范围，（b）生命周期中受体的覆盖范围，（c）每个受体模型和子模型的全面性。研究发现，Chesar 3.7.2具有最广泛的受体覆盖范围，整合了ECETOC TRA（用于工人和消费者RA）和EUSES（用于环境和经由环境暴露的人群）。USEtox 3.0beta 6c侧重于淡水生态毒性和间接人群暴露。ProScale 1.5基于ECETOC TRA进行工人暴露评估，但当前版本不评估环境和人群暴露。Vermeer FCM 3.4和ConsExpo 3均模拟消费者暴露，前者专为FCM设计，后者覆盖更广泛的非专业室内使用消费品。

在模型和子模型的全面性方面，对于消费者暴露评估，ConsExpo 3、Vermeer FCM 3.4和USEtox 3.0beta 6c在迁移和暴露途径方面提供高程度的代表性；对于生态系统暴露和经由环境的人群暴露评估，Chesar 3.7.2（通过EUSES）和USEtox 3.0beta 6c具有相似的归趋模型。工人毒性评估由Chesar 3.7.2和ProScale 1.5处理，两者均基于ECETOC TRA。

研究人员还进行了对齐调整以增强结果一致性，包括计算唯一指标、调整迁移率计算参数和识别底层指标的相似性。然而，分析显示各工具结果之间的一致性有限，尤其是工人和消费者评估结果，主要源于各工具在不同应用情境下的方法论差异。环境方面分析的工具结果一致性略高。

三、关键技术与方法

本研究采用的主要技术方法包括：一是基于因果链要素的系统分类方法，从化学品类型覆盖、受体覆盖和模型全面性三个维度对工具进行分类评估；二是案例研究法，基于JRC开发的增塑剂食品接触材料案例，应用五种工具进行风险评估和生命周期评估；三是对齐调整程序，通过计算唯一指标（如RCR_{total,combined}和PSP_{total,combined}）、统一迁移率计算参数（如参考食品量设为500 g、选择橄榄油作为参考食品）和识别底层指标相似性（如将Chesar 3.7.2的PEC与USEtox 3.0beta 6c的排放流进行比较）来提高结果一致性；四是排名变异性分析，通过比较各工具对替代增塑剂的排名而非直接比较数值结果来评估一致性。

四、研究结果

化学品类型覆盖

Chesar 3.7.2覆盖广泛的化学品类型，整合ECETOC TRA用于金属和无机化学品的职业暴露评估，但仅限于特定PROCs。EUSES主要支持REACH注册物质和生物杀灭产品法规活性物质。Vermeer FCM 3.4仅限于有机单一物质，排除金属、混合物、盐类和聚合物。ConsExpo 3涵盖多种化学品，包括生物杀灭产品物质、植物保护产品物质和无机化学品。USEtox 3.0beta 6c侧重于有机化学品，金属离子虽包含但被标记为具有较高不确定性。ProScale 1.5的覆盖范围与Chesar 3.7.2相似。没有任何工具明确处理混合物或聚合物。

受体覆盖

Chesar 3.7.2具有最广泛的受体覆盖，整合ECETOC TRA和EUSES覆盖所有四类受体。USEtox 3.0beta 6c侧重于淡水生态毒性和间接人群暴露，不包含工人的具体风险估计。ProScale 1.5仅覆盖工人暴露。Vermeer FCM 3.4和ConsExpo 3均覆盖消费者暴露，ConsExpo 3和USEtox 3.0beta 6c具有最全面的消费者暴露覆盖，包括吸入、经口和经皮途径。

模型与子模型全面性

对于工人，Chesar 3.7.2和ProScale 1.5的归趋模型被评为"低"，因为依赖简化的ECETOC TRA模型；暴露模型被评为"高"，因为两者都考虑了工作场所条件如风险管理措施。对于消费者，Vermeer FCM 3.4、ConsExpo 3和USEtox 3.0beta 6c在归趋和暴露方面使用"高"等级的子模型，而Chesar 3.7.2和ProScale 1.5因使用单参数模型被评为"低"。对于环境暴露，Chesar 3.7.2和USEtox 3.0beta 6c采用稳态多介质箱模型，归趋模型被评为"中间"等级，暴露模型被评为"低"。对于经由环境暴露的人群，归趋和效应评级与环境模型一致，暴露模型对两者均为"中间"等级。

排名变异性分析

在工人受体方面，Chesar 3.7.2和ProScale 1.5的最佳/最差增塑剂排名不同。例如，ESBO被Chesar 3.7.2指示为RCR_{total,combined}最差表现增塑剂，而被ProScale 1.5指示为PSP_{total,combined}最佳表现增塑剂。两种工具的暴露指标最大贡献均来自吸入暴露途径。在缩小系统边界后，ProScale 1.5指示DEHT为最佳，DEHP为最差，与Chesar 3.7.2的结果不同。

在消费者受体方面，各工具在迁移率方面没有共同趋势。ESBO根据ProScale 1.5（使用外部模型）和Chesar 3.7.2分别被识别为具有最低（2.02 × 10^–13 mg kg_food^–1）和最高（6.50 × 10² mg kg_food^–1）的迁移率。

在环境受体方面，Chesar 3.7.2和USEtox 3.0beta 6c在排放到淡水中的转移量方面显示出非常相似的结果。对齐后，两者在最差表现化学品（ATBC）方面一致，但最佳表现化学品不一致。

五、讨论与结论

研究表明，各工具在受体和化学品覆盖范围以及描述过程的复杂性和全面性方面存在差异。Chesar 3.7.2具有最广泛的受体覆盖，这与这些工具在REACH法规中应用的事实一致。对于消费者暴露评估，ConsExpo 3、Vermeer FCM 3.4和USEtox 3.0beta 6c基于嵌入的特定子模型提供了高程度的代表性。对于环境和人群暴露评估，Chesar 3.7.2和USEtox 3.0beta 6c具有相似的归趋模型，但USEtox 3.0beta 6c仅关注淡水作为生态毒性表征的介质。

排名不一致的原因包括：最终指标确定途径的差异（ECETOC TRA中RCR是特定化学品的暴露与DNEL之比，而ProScale 1.5关注价值链中所有相关化学品并将定性危害信息转换为定量危害因子）；迁移率计算条件的不同（食品类型和量、内衬厚度、储存时间等参数差异）；以及分析人员的选择差异。

研究人员指出，工具多样性虽然提供了更大的评估能力，但也可能导致评估格局的碎片化。需要明确指导来确定现有工具的使用是否比开发定制工具更为适当。PARC项目旨在创建解决SSbD框架不同方面的工具箱，这可能支持增强清晰度的需求。未来工具箱开发的关键领域包括评估可用工具的特征及其分析的全面性，以及开发适当的IT解决方案以减少和自动化计算负担。

研究最终表明，开发者与用户之间更好的协调对于最大化现有工具的效用并确保其在快速发展的SSbD框架中的适用性至关重要。在SSbD框架最近修订后，这一需求更加迫切，修订后的框架加强了涵盖安全和可持续维度的整体视角，允许根据创新层级和重新设计过程的目标灵活调整。