ارزیابی شیمیایی مبتنی بر چرخه زندگی

رویکردی جامع به ایمنی شیمیایی و پایداری: برنامه Mistra SafeChem وجعبه‌ابزار ارزیابی مبتنی بر چرخه حیات مقدمه: صنعت شیمیایی در عصر حاضر با چالش‌های بی‌سابقه‌ای روبرو است؛ از یک سو نیاز به تولید فزاینده مواد شیمیایی برای پاسخگویی به تقاضای جهانی وجود دارد، و از سوی دیگر نگرانی‌های فزاینده‌ای درباره تأثیرات زیست‌محیطی و سلامتی این مواد در طول چرخه حیات آن‌ها مطرح می‌شود. در سال‌های اخیر، مشخص شده است که توانایی ما در ارزیابی و نظارت بر مواد شیمیایی، با سرعت تولید و انتشار آن‌ها همگام نیست، تا حدی که مرز سیاره‌ای برای “نهادهای نوین” (شامل آلودگی شیمیایی سنتی، پلاستیک‌ها و نانومواد) شکسته شده است. این وضعیت، نیاز مبرمی را به رویکردهای نوین و جامع برای تضمین ایمنی و پایداری مواد شیمیایی، از همان فاز طراحی، برجسته می‌کند. در پاسخ به این نیاز حیاتی، برنامه تحقیقاتی Mistra SafeChem با دیدگاهی کل‌نگر و تمرکز بر شیمی سبز و پایدار، گام برداشته است.

**1. برنامه Mistra SafeChem: چشم‌انداز و اهداف**

Mistra SafeChem یک برنامه تحقیقاتی چهار به‌علاوه چهار ساله است که با رویکردی جامع به مواد شیمیایی، شیمی سبز و پایدار را هدف قرار داده است. این برنامه، توسط مؤسسه تحقیقات محیط زیست سوئد (IVL Svenska Miljöinstitutet) رهبری می‌شود و با همکاری دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی دیگر، از جمله دانشگاه فنی دانمارک (DTU) و RISE، به پیش می‌رود.

**چشم‌انداز Mistra SafeChem، توانمندسازی و ترویج گسترش یک صنعت شیمیایی ایمن، پایدار و سبز در سوئد است.** این برنامه معتقد است که **”تفکر چرخه حیات” (Life Cycle Thinking) کلید دستیابی به این چشم‌انداز است.** محققان در Mistra SafeChem بر این باورند که با کار بر روی فرآیندهای سنتز جدید، توسعه ابزارهایی برای بهبود ارزیابی ریسک و مدیریت چرخه حیات، می‌توان خطرات مرتبط با مواد شیمیایی را از همان فاز طراحی پیش‌بینی کرده و از آن‌ها جلوگیری کرد. این جعبه‌ابزار، همسو با استراتژی شیمیایی فعلی اتحادیه اروپا است و تلاش می‌کند تا به چالش‌های موجود در تعریف “ایمن و پایدار از طریق طراحی” (Safe and Sustainable by Design – SSBD) پاسخ دهد.

**2. جعبه‌ابزار ارزیابی شیمیایی مبتنی بر چرخه حیات**

یکی از اهداف اصلی Mistra SafeChem، توسعه یک **”جعبه‌ابزار عملیاتی مبتنی بر چرخه حیات”** برای ارزیابی مواد شیمیایی است. این جعبه‌ابزار شامل ابزارهایی برای ارزیابی جایگزین‌های شیمیایی، ارزیابی ردپای شیمیایی، و ارزیابی چرخه حیات (LCA) است.

**ارزیابی چرخه حیات (LCA)** یک رویکرد کل‌نگر و استاندارد شده (بر اساس استانداردهای ISO) است که در طول 50 سال گذشته تثبیت شده است. LCA تمام مراحل سیستم، از **استخراج مواد خام تا پایان عمر محصول**، و تمامی فرآیندهای دخیل در آن را بررسی می‌کند. مزیت اصلی LCA این است که ارزیابی جامع و کل‌نگری از اثرات زیست‌محیطی ارائه می‌دهد و به جلوگیری از انتقال بار زیست‌محیطی (مانند انتقال آلودگی از یک مرحله چرخه حیات به مرحله دیگر یا از یک محیط به محیط دیگر) کمک می‌کند. هدف LCA در یک زمینه گسترده‌تر، درک طیف وسیعی از دسته‌بندی‌های مختلف تأثیرات در یک زمینه کل‌نگر و ارائه نتایجی فراتر از ردپاهای جداگانه است. در LCA، اثرات بر سلامت انسان، تنوع زیستی، و دسترسی به منابع به عنوان حوزه‌های حفاظت در نظر گرفته می‌شوند.

در درون این جعبه‌ابزار، ابزارهای اصلی برای ارزیابی اثرات سمیت محیطی و سمیت انسانی، **USEtox و ProScale** هستند.

**3. ابزارهای اصلی برای ارزیابی اثرات سمیت: USEtox و ProScale**

تاکنون، ارزیابی اثرات سمیت انسانی و سمیت محیطی در ارزیابی چرخه حیات (LCA) به دلیل کمبود داده و پیچیدگی موضوع، تا حدودی نامشخص یا پیچیده‌تر بوده و کمتر از سایر ارزیابی‌ها (مانند ارزیابی پتانسیل گرمایش جهانی) اعمال می‌شده است. Mistra SafeChem به طور خاص بر سهولت دسترسی متخصصان به این ارزیابی‌ها تمرکز دارد.

همه روش‌های موجود برای ارزیابی اثرات سمیت، اصولاً به یک شکل عمل می‌کنند: آن‌ها شامل **یک بخش مواجهه (exposure) و یک بخش ارزیابی خطر یا اثر (hazard or effect assessment)** هستند که به روش‌های مختلفی برای تشکیل یک عامل تأثیر یا عامل شناسایی ترکیب می‌شوند. نیاز به جمع‌آوری داده‌های زیادی برای این ارزیابی‌ها وجود دارد و روش‌های مختلف، از نظر میزان داده مورد نیاز از منابع دیگر، با هم تفاوت دارند.

در Mistra SafeChem، به طور عمده با دو رویکرد **USEtox و ProScale** کار می‌شود. این دو روش از این جهت که سناریوهای مواجهه متفاوتی را پوشش می‌دهند، مکمل یکدیگر هستند.

*   **ProScale:** این روش عمدتاً بر **مواجهه کارگران** و همچنین مواجهه ساکنان در طول عمر سرویس محصول (در صورت مرتبط بودن) تمرکز دارد. در نسخه فعلی خود (1.5)، به طور خاص سناریوهای مواجهه در محیط کار را بررسی می‌کند. مدل ProScale به شدت بر اساس ارزیابی ریسک طبقه‌بندی شده EasyTalk نسخه 3 ساخته شده است. در مدل اثر ProScale، مواد شیمیایی بر اساس طبقه‌بندی خطر در REACH (مقررات ثبت، ارزیابی، صدور مجوز و محدودیت مواد شیمیایی اتحادیه اروپا) و سایر سیستم‌های طبقه‌بندی و برچسب‌گذاری هماهنگ، به یک کلاس خطر ProScale اختصاص داده می‌شوند. سپس، عامل اثر با کمک مقادیر حد مجاز مواجهه شغلی (Occupational Exposure Limit – OEL) یا حد عدم اثر مشتق شده (Derived No Effect Limit – DNEL) اصلاح و تنظیم می‌شود.

*   **USEtox:** در مقابل، نسخه 2.1 USEtox که به طور گسترده در دسترس است، **مواجهه محیطی و جمعیتی** مرتبط با انتشار مواد شیمیایی را پوشش می‌دهد. این روش، سمیت انسانی از طریق محیط را نیز در بر می‌گیرد. مدل مواجهه USEtox در نسخه 2.1، مواجهه محیطی و سمیت انسانی از طریق محیط را پوشش می‌دهد، در حالی که نسخه 3 USEtox (در حال توسعه) یک مدل مواجهه “نزدیک به میدان” و “دور از میدان” را ترکیب می‌کند که قادر به پوشش تأثیرات مواجهه مستقیم نیز خواهد بود. در مدل اثر USEtox، به پاسخ غلظت یا دوز (Dose Response) توجه می‌شود. برای ارزیابی محیطی، معمولاً بر اساس EC50 (غلظتی که در آن 50% از سه سطح تروفیک مختلف تحت تأثیر قرار می‌گیرند) و برای انسان‌ها بر اساس ED50 (دوز مؤثر 50%) پایه گذاری می‌شود.

مطالعات نشان داده‌اند که **نتایج حاصل از اعمال روش‌های ProScale و USEtox به یک سیستم محصول یکسان، می‌تواند متفاوت باشد** و جنبه‌های کلیدی مختلفی از چرخه عمر محصول را برجسته کند. این تفاوت در نتایج نشان می‌دهد که گنجاندن هر دو رویکرد می‌تواند مفید باشد، زیرا جنبه‌های مهمی را که در صورت حذف یکی از آن‌ها از دست می‌رفتند، پوشش می‌دهد.

**4. شکاف داده‌ها و نقش دیجیتالی‌سازی**

با وجود ابزارهای موجود، چالش بزرگی در ارزیابی مواد شیمیایی وجود دارد: **شکاف عظیم داده‌ها.** در حالی که حدود 350,000 ماده شیمیایی در سراسر جهان برای استفاده و تولید ثبت شده‌اند، ابزاری مانند USEtox تنها اطلاعات حدود 3,000 ماده شیمیایی را در اختیار دارد. تعداد واقعی مواد شیمیایی به احتمال زیاد به میلیون‌ها می‌رسد و بسیاری از مواد شیمیایی حتی قبل از رسیدن به بازار (در فاز تحقیق و توسعه) نیاز به ارزیابی دارند.

این شکاف داده‌ها در کنار **روند فزاینده تولید شیمیایی جهانی**، که پیش‌بینی می‌شود هر 20 سال دو برابر شود، وضعیت نگران‌کننده‌ای را ایجاد کرده است. گروهی از دانشمندان اعلام کرده‌اند که “مرز سیاره‌ای برای نهادهای نوین” (Novel Entities) شکسته شده است. دلیل اصلی این اعلام این است که **ظرفیت ما برای ارزیابی و نظارت بر مواد شیمیایی نمی‌تواند با سرعت تولید و انتشار سالانه آن‌ها همگام باشد.**

دلایل اصلی این عقب‌ماندگی در ارزیابی شیمیایی عبارتند از:

*   **نیاز بسیار زیاد به داده‌ها:** برای شناسایی نه تنها خود مواد شیمیایی، بلکه محصولات و کاربردهای آن‌ها و فرآیندهای مورد نیاز برای تولید آن‌ها.

*   **زمان‌بر و پیچیده بودن جمع‌آوری داده‌ها:** یافتن داده‌های قابل استفاده یا جایگزین‌های مناسب برای LCA بسیار زمان‌بر است.

*   **نیاز به دیدگاه کل‌نگر:** نمی‌توان تنها بر بخش کوچکی از چرخه حیات یا یک دسته اثر خاص تمرکز کرد؛ دیدگاه کامل از تمام اثرات ممکن و کل چرخه حیات ضروری است.

*   **مشکل در تفسیر و سازگاری داده‌های پیش‌بینی‌شده:** تفسیر مقادیر پیش‌بینی‌شده و اطمینان از سازگاری آن‌ها با داده‌های اندازه‌گیری‌شده، یک چالش است.

برای مقابله با این چالش‌ها، Mistra SafeChem یک پروژه دکترای را با عنوان “پیشبرد مشخصه یابی سمیت شیمیایی مبتنی بر چرخه حیات از طریق دیجیتالی‌سازی” (Advancing Life Cycle Based Chemical Toxicity Characterization through Digitalization) راه‌اندازی کرده است. این پروژه دارای سه هدف اصلی است:

1. **نقشه‌برداری از روش‌های دیجیتال** برای پر کردن شکاف‌های شناسایی‌شده در رویکردهای شناسایی سمیت مبتنی بر چرخه حیات.
2. **تعریف قواعد تصمیم‌گیری** بر اساس عملکرد ماده شیمیایی در زمینه کاربرد آن، برای تعیین مهم‌ترین اثرات جهت غربالگری قوی.
3. **توسعه و آزمایش روش‌های دیجیتال** برای پیش‌بینی داده‌های مرتبط با مواد شیمیایی، الگوهای مواجهه و اثرات سمیت در مطالعات موردی صنعتی، و ارائه راهنمایی کلی.

در حال حاضر، تمرکز بر هدف اول است که شامل تعریف پارامترهای گسسته در سطوح مورد نیاز مدل، بررسی حساسیت پارامترها و جستجو برای منابع داده رایج است. یکی از کاربردهای عملی این رویکرد، **پیش‌بینی فاکتورهای اثر سمیت محیطی برای USEtox با استفاده از مدل‌های یادگیری ماشین** است. این فاکتورها، به دلیل حساسیت بالا، می‌توانند تأثیر زیادی بر عامل نهایی تأثیر یک ماده شیمیایی داشته باشند. برای این منظور، از مقادیر HC20 استفاده می‌شود که نشان‌دهنده غلظتی است که در آن 20% از گونه‌ها بالای مقدار EC10 خود (غلظتی که در آن 10% از یک گونه خاص پاسخ یا اثر نشان می‌دهد) در معرض قرار می‌گیرند. این یک ویژگی شیمیایی برای کل اکوسیستم است، نه یک مقدار سمی خاص برای یک گونه. یک مجموعه داده بزرگ شامل 250,000 غلظت اثر برای بیش از 12,000 ماده شیمیایی، شامل گونه‌های آبزی و زمینی، در حال استفاده است. الگوریتم‌های یادگیری ماشین مانند ماشین‌های بردار پشتیبان (Support Vector Machines)، جنگل‌های تصادفی (Random Forests) و شبکه‌های عصبی (Neural Networks) برای پیش‌بینی این مقادیر پیوسته آزمایش خواهند شد.

**5. استراتژی شیمیایی اتحادیه اروپا و رویکرد “ایمن و پایدار از طریق طراحی” (SSBD)**

اتحادیه اروپا در تلاش است تا رویکرد جدیدی را به سمت “مواد شیمیایی با آلودگی صفر” اتخاذ کند، که در آن مواد شیمیایی و مواد باید بدون تجاوز از مرزهای زیست‌محیطی و بوم‌شناختی، عملکرد خود را ارائه دهند، و این امر با در نظر گرفتن کل چرخه حیات صورت می‌گیرد. در همین راستا، در یک کارگاه آموزشی که در 22 مارس (تاریخ برگزاری وبینار) برگزار شد، اتحادیه اروپا چارچوب “ایمن و پایدار از طریق طراحی” (SSBD) را برای مواد شیمیایی و مواد، معرفی کرد.

این چارچوب یک **ارزیابی پایداری پنج مرحله‌ای** را پیشنهاد می‌کند:

1. **ارزیابی ایمنی مواد شیمیایی و مواد بر اساس رویکرد مبتنی بر خطر (hazard-based approach):** این مرحله می‌تواند به عنوان یک مرحله قطع عمل کند؛ موادی که در این مرحله به عنوان SSBD شناسایی نمی‌شوند، می‌توانند از ارزیابی بیشتر حذف شوند، مگر اینکه برای یک استفاده ضروری مورد نیاز باشند.
2. **ایمنی فرآیند شیمیایی یا مواد** با در نظر گرفتن جنبه‌های ایمنی و بهداشت شغلی.
3. **تأثیرات بر سلامت انسان و محیط زیست برای مواجهه مستقیم:** در این مرحله سطوح ایمنی تعریف می‌شوند و موادی که امتیاز بالایی نسبت به این سطوح داشته باشند، می‌توانند رد شوند.
4. **ارزیابی پایداری محیطی:** در این مرحله، **ارزیابی چرخه حیات (LCA) پیشنهاد می‌شود** که اهداف محیطی خاصی را معرفی می‌کند. اگر مواد شیمیایی از این اهداف (مانند ظرفیت مرزهای سیاره‌ای) فراتر روند، می‌توانند کنار گذاشته شوند.
5. **مرحله پنجم:** هنوز تعریف نشده است.

یکی از بحث‌های مهم حول این چارچوب، **تناقض یا عدم همسویی بین رویکرد مبتنی بر خطر در مرحله اول (که می‌تواند منجر به قطع مواد شود) و رویکرد مبتنی بر ریسک و LCA در مراحل بعدی است.** این موضوع، چالشی برای جامعه LCA است، زیرا در حالی که استانداردهای ISO LCA نرمال‌سازی و وزن‌دهی را به عنوان بخش اجباری در ارزیابی اثرات در نظر نمی‌گیرند و حتی توصیه می‌کنند که در ارزیابی‌های مقایسه‌ای عمومی از آن‌ها اجتناب شود، چارچوب SSBD و قوانین رده‌بندی ردپای محیطی محصول (Product Environmental Footprint – PEF) اتحادیه اروپا، **این اقدامات را تشویق می‌کنند.** هدف از نرمال‌سازی و وزن‌دهی، شناسایی مهم‌ترین دسته‌بندی‌های اثر، مراحل چرخه حیات و فرآیندها و تعریف اهداف است.

نکته قابل توجه دیگر این است که در چارچوب PEF و SSBD، **ارزیابی‌های سمیت (هم سمیت انسانی – سرطان و غیرسرطان – و هم سمیت محیطی) دارای شاخص “قوی” (robustness) 3 هستند**، به این معنی که مدل‌ها توصیه می‌شوند اما باید **با احتیاط اعمال شوند و “موقت” (interim)** تلقی می‌شوند. این نشان‌دهنده نیاز به کار و توسعه بیشتر در این زمینه‌ها است و پروژه Mistra SafeChem، به ویژه در بخش دیجیتالی‌سازی، می‌تواند سهم مهمی در این راستا داشته باشد.

**6. مسیر آینده Mistra SafeChem**

Mistra SafeChem به توسعه جعبه‌ابزار ارزیابی مبتنی بر چرخه حیات خود، با استفاده از فعالیت‌های مطالعات موردی مختلف ادامه خواهد داد. **تمرکز قوی بر دیجیتالی‌سازی و مدل‌سازی با توان عملیاتی بالا** وجود خواهد داشت تا اطلاعات بیشتری فراهم شود و شکاف‌های داده‌ای که در حال حاضر به عنوان یک مانع بزرگ تلقی می‌شوند، پر شوند.

این برنامه قصد دارد تا با ارائه راهنمایی و نمونه‌های عملی از جعبه‌ابزار، به حمایت از ارزیابی کل‌نگر و سهولت دسترسی به آن کمک کند. همچنین، Mistra SafeChem در راستای فرآیند “ایمن و پایدار از طریق طراحی” اتحادیه اروپا، به شناسایی مهم‌ترین دسته‌بندی‌های اثر، مراحل چرخه حیات و فرآیندها کمک خواهد کرد.

**نتیجه‌گیری**

چالش‌های پیش روی صنعت شیمیایی در مسیر دستیابی به ایمنی و پایداری، گسترده و پیچیده هستند. برنامه Mistra SafeChem با رویکردی نوآورانه و جامع، که بر تفکر چرخه حیات، توسعه ابزارهای پیشرفته مانند USEtox و ProScale، و بهره‌گیری از قدرت دیجیتالی‌سازی و یادگیری ماشین تمرکز دارد، تلاش می‌کند تا راه را برای یک صنعت شیمیایی سبزتر و ایمن‌تر هموار کند. همسویی این تلاش‌ها با استراتژی‌های جدید اتحادیه اروپا، از جمله چارچوب “ایمن و پایدار از طریق طراحی”، نشان‌دهنده اهمیت و فوریت این رویکرد یکپارچه است. با پر کردن شکاف‌های داده‌ای، بهبود ابزارهای ارزیابی، و ارائه راهنمایی‌های عملی، Mistra SafeChem گام‌های مهمی در جهت تضمین آینده‌ای پایدار برای مواد شیمیایی و جامعه برمی‌دارد.