Air Pollution

我们的双刃氮剑 氮在地球系统中以深刻的二元性存在。其惰性大气形式（$N_2$）构成了围绕地球最丰富的气体，作为存在的无形背景。当通过固定过程转化为反应性形式时，氮转变为蛋白质和DNA的基本构建块，成为支撑数十亿人口的农业生产力引擎。 在人类历史的大部分时间里，将大气氮转化为维持生命的化合物一直是闪电和特殊微生物的专属领域。这个自然过程对地球能够支撑的生命量施加了严格且可持续的限制。20世纪哈伯-博施工艺的发明打破了这一自然限制，使氮肥的工业规模合成成为可能。这一发现如同双刃剑：在推动绿色革命并实现前所未有的全球人口扩张的同时，它也在地球规模上启动了一场大规模、不受控制的化学实验。人类活动使反应性氮进入陆地循环的速度翻了一番，从根本上改变了数千年来保持稳定的生物地球化学流12。 氮循环的深刻改变代表了甜甜圈经济学框架的关键组成部分，特别是涉及氮/磷循环行星边界。虽然这种破坏与气候变化、生物多样性丧失和淡水系统相交叉，但其起源和最直接的影响源于这一基本地球系统过程的根本性重塑，将人类推向其安全和公正运营空间之外。 从古代土壤到爆炸性发现 人类与氮的关系从缓慢发现演变为突然的革命性变化。农业社会数千年来通过轮作、休耕和施用粪肥进行直观的氮管理——这些方法旨在补充土壤中有限的自然固定氮供应。早期商业肥料，如19世纪中叶从秘鲁进口的鸟粪，代表了开采和重新分配稀缺自然沉积物的尝试，尽管这些资源被证明是有限的并迅速耗尽。 19世纪末出现了深刻的迫在眉睫的危机感。威廉·克鲁克斯爵士在其1898年具有里程碑意义的演讲中警告说，除非科学家发现一种从空气中合成氮肥的方法，否则世界将面临大规模饥荒3。智利硝酸盐矿床——主要的现有来源——正在经历快速枯竭，而全球人口继续增长。解决方案在十多年后通过哈伯-博施工艺到来，该工艺由德国化学家弗里茨·哈伯和卡尔·博施开发并于1913年标准化34。这一里程碑式的突破使用高温高压将大气氮（$N_2$）与氢结合生产氨（$NH_3$），这是一种反应性氮形式，作为几乎所有合成氮肥的基础。 该工艺最初对第一次世界大战期间德国的爆炸物生产至关重要，但其农业意义在二战后时代爆发。曾经生产弹药用氨的工厂被重新改造以养活不断增长的世界，导致合成氮应用的指数级增长。到1990年为止人类历史上施用的所有工业肥料的一半以上仅在1980年代使用2。这一单一技术飞跃有效地消除了食品生产的关键限制，使全球人口从1900年的16亿扩张到今天的80多亿。 氮闸门大开 人类活动目前产生的反应性氮比所有陆地自然过程加起来还多12。进入陆地氮循环的氮速率翻倍代表了一种与碳循环破坏相媲美的干预。 三个主要来源推动着这场洪流。通过哈伯-博施工艺的工业肥料生产每年固定大量大气氮。车辆、发电厂和工厂中的化石燃料燃烧释放以前从长期地质储存中固定的氮，同时在高温下固定大气氮，向大气中排放大量氮氧化物（$NO_x$）。大豆和苜蓿等固氮作物的广泛种植用农业单作取代了多样化的自然生态系统，在特定地区大幅提高了生物固氮率。 氮超载的后果在全球以不同强度表现。肥料使用在许多发达国家已经稳定，但在寻求提高食品生产的发展中国家急剧上升12。这种地理转移越来越多地将氮污染的环境负担集中在管理能力较低的地区。过量氮在环境中级联，污染空气，污染水系，退化土壤。农业土壤的副产品氧化亚氮（$N_2O$）作为温室气体，其效力约为二氧化碳的300倍5。氮氧化物（$NO_x$）是烟雾和酸雨的关键前体，严重影响人类呼吸健康。在水生系统中，农场和未处理污水的氮径流助长富营养化——大规模藻类繁殖在分解过程中消耗氧气，造成广阔的沿海和淡水"死区"，破坏渔业和海洋生物多样性56。 2050年的问题浪潮 氮污染的轨迹对全球稳定构成明显且不断升级的威胁。在最坏情况下的预测——特征是持续的经济增长而没有重大污染缓解政策——表明，由于氮污染而经历严重清洁水短缺的河流流域到2050年可能增加两倍7。这种扩张将包括额外的4000万平方公里的流域面积，并可能直接影响另外30亿人7。 社会经济影响是巨大的。预计高氮污染水平将减少鱼获量，使水体不适合娱乐，并广泛破坏水生生态系统的稳定，损害无数社区的生计和食品安全。氮污染的经济成本已经达到惊人的水平。2010年的估计将全球总损害成本定为约1.1万亿美元，主要来自氮衍生颗粒物通过早逝对人体健康的影响、氮沉积对陆地生物多样性的影响以及海洋富营养化8。 预计这些全球成本到2050年的增长将快于氮使用带来的农业效益8。经济增长提高社会为防止污染相关损害而支付的意愿比提高作物价格更快。这些成本的地理分布将发生巨大变化，预计中国和印度等快速发展的国家将超过欧洲和北美，成为对氮污染全球经济负担贡献最大的地区。这一轨迹指向一个未来，其中氮依赖的环境和健康后果成为全球经济日益重要的拖累和不平等的主要驱动力。 解开一张邪恶而粘性的网 全球氮挑战呈现出一个"邪恶问题"，潜在解决方案与全球食品和能源系统的基本方面交织在一起。现代农业对合成肥料的根深蒂固的依赖造成了最主要的挑战。许多发展中国家，特别是撒哈拉以南非洲，面临的不是氮过剩而是氮不足，缺乏足够的肥料获取以实现食品安全9。全球战略必须应对双重挑战：减少高使用地区的氮浪费，同时确保低使用地区的公平获取。这造成了重大的政策和经济障碍，因为限制肥料使用的广泛措施可能会毁灭饱受饥荒的国家。 氮污染的弥散性构成第二个主要障碍。进入环境的大部分氮来自非点源，如广阔景观上的农业径流和数百万车辆的排放，不像工厂管道的点源污染物。这一特性使监测、监管和责任分配变得极其困难。公众和政治意识的严重缺乏加剧了问题。虽然气候变化已进入主流意识，但氮危机在科学界之外仍基本上不为人知，阻碍了系统性变革所需的政治意愿5。 现有政策加剧了问题，全球分析显示，大约三分之二与氮相关的农业政策实际上激励其使用或管理其商业，将食品生产置于环境保护之上10。氮化学本身造成了一种"粘性"污染物——一旦进入环境，它就会改变形式并在生态系统中级联，从空气污染到水污染再到生物多样性丧失，引起一连串的负面效应，使单一简单的解决方案变得不可能。 重写氮叙事 尽管面临巨大挑战，越来越多的证据指向可以改变人类与氮关系的机会和创新。从线性浪费系统向最大化氮利用效率的循环系统的过渡代表着总体目标。 农业转型涉及一项多管齐下的战略，可概括为养分管理的"4R"：在正确的时间、正确的地点以正确的速率施用正确的肥料来源。精准农业作为关键推动者，采用土壤传感器、GPS引导设备和无人机图像等技术，在作物需要的确切时间和地点施用肥料，最大限度地减少流入水道的过剩11。缓释配方等增效肥料确保作物更大程度地吸收养分。 覆盖种植和复杂轮作等农业生态实践显著改善土壤健康，减少合成投入品需求并防止休耕期间的氮淋溶11。消费侧收益来自解决食物浪费和改变饮食模式。减少肉类消费，特别是来自氮足迹大的集约化养殖业的肉类，可以大幅降低对氮密集型饲料作物的总体需求11。 政策视角受益于建立国家和地区氮预算作为会计工具，以确定关键干预点并跟踪进展。世界各地的案例研究，如减少流入密西西比河流域的养分径流以缩小墨西哥湾"死区"的努力，表明农场最佳管理实践、有针对性的湿地恢复和政策激励的组合可以开始逆转损害，尽管进展缓慢。 为不稳定元素挤出安全空间 甜甜圈经济学模型清晰地可视化了氮危机。生物地球化学流，特别是氮的行星边界已经经历了大规模违反，代表着生态超调最严重的领域之一126。该框架将人类的安全运营空间定义为在满足所有人的社会基础的同时保持在这一生态天花板内。当前的氮循环管理恰恰实现了相反的结果：远远超出行星边界，同时未能为所有人提供食品安全，造成社会基础不足。 主要超调涉及工业和有意的氮固定水平远高于科学家提出的"安全"边界值。这种超调直接助长了其他行星边界的违反。施肥土壤释放的氧化亚氮（$N_2O$）直接导致气候变化，而过量氮流入水生生态系统主要通过富营养化和缺氧死区的形成推动生物多样性丧失15。这造成了危险的权衡，解决食品安全社会基础的工具主要导致生态超调。 在甜甜圈的"甜蜜点"内运营需要根本性转变——在不超过地球氮吸收能力的情况下为所有人生产足够的食物。这直接与几个联合国可持续发展目标（SDGs）相关。解决氮污染对SDG 14（水下生物）至关重要，特别是目标14.1，呼吁预防和大幅减少各种海洋污染，包括营养污染。SDG 2（零饥饿），特别是目标2.4，旨在确保可持续的食品生产系统并实施有韧性的农业实践。SDG 6（清洁饮水和卫生设施），特别是目标6.3，侧重于通过减少污染和最大限度减少有害化学品排放来改善水质69。以甜甜圈为中心的方法需要一个全球系统，为全球南方土壤枯竭的农场提供足够的氮，同时大幅减少全球北方集约化农业系统的氮浪费。 选择富足而非被浪费淹没的世界 人类在与氮的关系上正处于关键的十字路口。使前所未有的增长成为可能的元素现在威胁着生存所依赖的生态系统稳定。哈伯-博施工艺使人类能够养活自己，但匆忙接受这种新力量创造了一个效率低下、浪费严重且造成深刻损害的全球系统。证据表明运营远超氮循环的安全行星边界，其后果波及空气、水和土壤，给全球经济造成数万亿美元的损失，并在世纪中叶前威胁数十亿人的严重水短缺。前进的道路需要根本性的视角转变——从将氮视为便宜、一次性的商品转向将其视为需要精心管理的珍贵有限资源。解决方案需要跨科学、政策、商业和民间社会的协调努力，涉及利用技术进行精准农业、采用农业生态耕作实践、减少食品和能源浪费，以及促进国际合作以平衡区域需求。氮挑战迫使我们面对可持续社会的核心信条，推动我们超越简单的生产最大化焦点，走向对维持生命的复杂地球循环的整体理解。重写氮叙事代表着选择真正持久的富足，而不是淹没在浪费中。 参考文献 Ecological Society of America, 2000  ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ...

化学奇迹已变成全球威胁 PFAS的开发始于1940年代，当时制造商开始生产这些化学品，利用其独特的防水、防油和防污特性12。最初，PFAS因其在不粘炊具、消防泡沫和无数工业应用中的多功能性而受到赞誉，被认为是改善现代生活的技术奇迹13。使这些化学品有用的强碳-氟键也使它们在自然环境中几乎不可摧毁12。 随着健康担忧的增加，监管意识逐渐浮现。第一个重要里程碑发生在2000年，当时3M在出现健康担忧后自愿逐步停止生产某些长链PFAS4。随着2009年《斯德哥尔摩公约》将PFOS列入、2019年将PFOA列为需要全球消除或限制的持久性有机污染物，对该问题的国际认识加速56。这些行动是在数十年广泛的环境释放之后采取的，造成了一个将持续数代人的遗留污染问题73。 我们正在自己制造的化学汤中游泳 当代PFAS污染代表了化学污染中地球边界超标的教科书案例。最近的EPA数据显示，超过1.43亿美国人在饮用水中接触PFAS，随着更多测试的进行，这一数字继续上升89。最新监测显示，全国有超过2,300个新地点存在PFAS污染，确认了问题的广泛性810。 污染远不止饮用水系统。在97%的美国人血液样本中检测到PFAS11，表明人们普遍接触这些化学品。环境监测揭示了偏远北极地区的PFAS污染，显示其全球大气传输312。由于通过水生食物链的生物积累，鱼类和海鲜显示出最高的PFAS浓度13，而全球已发现600多种野生动物物种受到这些化学品的污染3。 与PFAS暴露相关的健康影响包括胆固醇水平升高、疫苗效力降低、肝酶变化、妊娠并发症、出生体重降低以及与肾癌和睾丸癌的关联1415。证据基础继续加强，最近的研究确认了PFAS暴露与多种不良健康结果之间的一致关联1615。 化学宿醉将在未来几代人中给我们带来代价 当前轨迹建模表明，如果没有立即干预，PFAS污染危机将显著恶化。在一切照旧的情景下，随着替代PFAS进入市场，环境负荷将继续增加[^17]16。这些化学品的持久性意味着，即使所有PFAS生产立即停止，环境和人类暴露也将持续数十年12。 气候变化可能会加剧PFAS的流动性和暴露途径717。气温上升和降水模式变化可能会改变PFAS通过环境介质的传输，可能增加人类和生态暴露17。海洋酸化是另一个受压的地球边界，可能与PFAS污染相互作用，造成复合环境压力17。 解决PFAS污染的经济负担预计将达到惊人的水平。欧洲估计表明，清理所有PFAS污染在20年内可能花费超过2万亿欧元18，而仅美国饮用水处理每年就将花费约15亿美元1920。这些巨大的修复成本表明了超过化学污染地球边界的真正经济外部性2122。 解决这个问题就像与一万头九头蛇搏斗 PFAS危机提出了几个根本性挑战，说明了在地球边界内管理化学污染的复杂性。PFAS化合物的巨大多样性——超过10,000种不同的化学品——使得全面评估和监管极其困难216。大多数PFAS缺乏基本的毒性数据，为风险评估创造了巨大的知识空白1623。 检测和分析挑战加剧了监管困难。许多PFAS难以使用标准方法测量，分析能力的发展落后于新化学品引入的速度2425。这造成了污染可能在检测方法可用之前就已广泛存在的情况2524。 推动PFAS生产的经济激励与地球健康不一致。虽然PFAS的生产成本可能为每磅50-1,000美元，但从城市污水中去除的成本为每磅270万-1,800万美元26，代表了环境和健康成本的大规模外部化2122。工业界对全面淘汰的抵制反映了将这些真正成本内部化的挑战2127。 永恒的解毒剂终于触手可及 尽管存在这些挑战，但解决PFAS污染并回到化学污染地球边界内存在重要机会。PFAS破坏的技术创新显示出前景，包括可以在室温下打破强碳-氟键的先进氧化过程和新型光催化系统28。这些突破性技术可以提供实际PFAS破坏的途径，而不仅仅是控制28。 开发更安全的替代品代表了预防的关键机会。最近的研究已在325个应用中确定了530多种无PFAS替代品，材料创新和工艺变更通常提供比简单化学替代更优越的解决方案2930。通过PARC伙伴关系等倡议的国际合作正在加速更安全替代品的开发31。 随着各国政府认识到问题的范围，监管势头正在全球范围内形成。EPA的PFAS战略路线图和欧盟提议的普遍PFAS限制表明，全面解决问题的政治意愿正在增长[^33]32。3M等主要制造商已自愿承诺在2025年前逐步停止PFAS生产，为替代品创造市场压力3327。 甜甜圈为我们的地球健康提供了明确的诊断 PFAS危机例证了超过化学污染地球边界如何在可持续发展的生态和社会维度上产生连锁效应。生态上限已被大大超越——PFAS污染现在影响全球每个环境区域，从偏远的极地地区到最深的海沟313。这种污染无限期持续，代表了对地球系统化学负荷能力的永久性侵犯72。 同时，PFAS污染破坏了框架内的多个社会基础。数百万无力负担PFAS处理系统的人的清洁水获取（SDG 6）受到威胁1234。健康和福祉（SDG 3）受到与癌症、免疫功能障碍和发育问题相关的化学品广泛暴露的威胁3536。由于PFAS污染不成比例地影响缺乏治理资源的弱势社区，环境正义问题随之出现89。 解决PFAS污染的经济负担——全球估计达数万亿美元——从其他可持续发展优先事项中转移资源2118。这代表了社会资源的根本错配，PFAS生产的私人利润为清理和健康影响创造了巨大的公共成本2622。该框架揭示了超过一个地球边界如何创造负面反馈循环，破坏可持续发展多个维度的进展3536。 是时候进行化学离婚以建设无毒的未来了 PFAS污染危机代表了人类如何超越化学污染地球边界，对环境和社会系统造成持久伤害的明确例子。这些"永久化学品"在人体、饮用水、食物链和偏远环境中的广泛存在表明，化学负荷已超出地球的同化能力。仅在饮用水中就影响超过1.43亿美国人的当前暴露水平，加上在97%的人类血液样本中检测到，说明了这种地球边界侵犯的普遍性。 解决PFAS污染需要从根本上改变社会管理化学品生产和使用的方式。修复的巨大成本强调了需要基于预防的方法，将化学污染保持在地球边界内。开发更安全的替代品和逐步淘汰非必要的PFAS使用代表了回到人类安全运营空间的途径。危机揭示了地球边界和社会基础相互联系的性质，表明超过化学污染限度如何破坏清洁水的获取，威胁人类健康，并创造本可支持可持续发展的巨大经济负担。 参考文献 Stanford Medicine, 2024  ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ European Environment Agency, 2024  ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ...

大气污染是全球最重大的环境健康风险之一，对人类整个生命周期产生广泛影响。大量科学研究证实，暴露于空气污染物——特别是细颗粒物($PM_{2.5}$)、二氧化氮($NO_2$)和臭氧($O_3$)——与呼吸系统疾病、心血管疾病、不良出生结局和认知损害的发病率和死亡率增加相关1。即使短期暴露于低于许多监管标准的污染水平也会产生可测量的健康影响。当前研究表明，大气污染每年在全球造成约810万人死亡，是可预防死亡的主要原因之一1。在甜甜圈经济学框架中，大气污染代表着一个关键的行星边界，一旦被突破，将直接损害人类健康这一社会基础。突破生态天花板带来了复杂的挑战，需要同时解决环境保护和健康公平问题的综合政策方法，以创造人类安全且公正的发展空间。 大气污染作为环境健康危机 大气污染带来的普遍环境健康威胁对当代人类福祉构成根本性挑战。作为甜甜圈经济学框架中的行星边界，大气污染体现了生态天花板与社会基础之间复杂的相互关系。当空气质量恶化超过安全阈值时，对人类健康这一社会基础的直接影响便会显现，并在工作能力、经济生产力和医疗保健获取等其他社会维度产生连锁效应。正如该框架所阐述的，人类的挑战在于在行星承载能力范围内满足所有人的需求。 大气污染包含来自人为和自然来源的各种气体和颗粒物的复杂混合物。工业活动、交通运输、能源生产、农业实践以及住宅供暖和烹饪都对这一复杂的污染物组合有所贡献23。主要关注的污染物包括颗粒物($PM_{2.5}$和$PM_{10}$)、二氧化氮($NO_2$)、臭氧($O_3$)、二氧化硫($SO_2$)和一氧化碳($CO$)。浓度、成分和健康影响的区域差异反映了当地排放源、气象条件和监管框架的不同。 环境与公共卫生问题的交叉在大气污染与人类健康的关系中表现得尤为明显。根据世界卫生组织和其他主要卫生机构的数据，大气污染每年造成数百万人过早死亡，几乎影响人体的每个器官系统41。以下内容将在甜甜圈经济学框架内审视大气污染对健康的多方面影响、当前趋势和挑战，以及解决这一关键问题以创造人类安全且公正发展空间的机会。 大气污染与健康研究的历史 在过去一个世纪中，人们对大气污染作为公共卫生问题的认识发生了重大转变。早期工业时代的污染事件，如1952年伦敦大雾霾（造成数千人额外死亡），成为了解空气污染健康后果的关键时刻。这些灾难性事件催生了现代空气质量法规的制定，并激发了科学界对空气污染物与人类健康关系的研究兴趣。 科学认识经历了几个不同的研究重点阶段。最初的研究主要集中在急性污染事件和严重的呼吸系统影响上。到20世纪70年代和80年代，流行病学方法的进步使研究慢性暴露影响成为可能。20世纪90年代，具有里程碑意义的哈佛六城市研究和美国癌症协会研究提供了关键证据，证明即使在先前被认为安全的水平下，长期暴露于颗粒物也与死亡率增加相关5。这从根本上改变了全球空气质量管理的监管方法。 21世纪初的特点是暴露评估和健康影响分析方法的重大改进。卫星监测的进步、土地利用回归模型和个人暴露监测使人群暴露模式的表征更加准确。同时，毒理学研究开始阐明空气污染物造成危害的生物机制，揭示了炎症途径、氧化应激机制以及超越呼吸系统的全身性影响63。 当代研究已超越传统的心肺影响。研究现在将空气污染暴露与不良出生结局、神经发育和认知影响、代谢紊乱以及加速衰老过程联系起来74。脆弱人群的概念也在演变，越来越关注对儿童、孕妇、老年人、有基础疾病者以及社会经济弱势社区的不成比例影响。 空气质量标准已经发展到纳入不断扩展的知识。最初的标准主要针对可见污染和急性影响，而当代方法则考虑较低浓度慢性健康影响的证据。世界卫生组织空气质量指南中推荐的暴露阈值逐步降低，反映了关于在不断降低的浓度下健康影响的累积证据。科学认识现在表明，许多空气污染物可能不存在"安全阈值"，特别是细颗粒物($PM_{2.5}$)58。 大气污染当前的健康影响 大气污染健康影响的全球规模构成人类当前面临的最大环境健康风险之一。最近的估计表明，2021年大气污染在全球造成约810万人死亡，约占全球死亡总数的八分之一1。这些惊人的数字使大气污染成为全球发病率和死亡率的主要风险因素。大气污染的健康后果带来巨大的经济成本，仅在英国的估计就达80亿至200亿英镑9。这一负担的全球分布表现出明显的不平等，低收入和中等收入国家通常经历更高的污染水平和相关健康影响。仅中国在2021年就有约220万人死于$PM_{2.5}$污染，占与该污染物相关的全球估计780万死亡人数的很大比例10。工业化、监管能力、技术获取和社会经济因素之间的复杂相互作用影响着暴露和脆弱性，造成了这种不成比例的影响。从甜甜圈经济学的角度来看，这些统计数据构成了对大气污染行星边界的明确突破，对健康这一社会基础产生直接影响。不平等的分布进一步凸显了突破生态天花板如何不成比例地影响最脆弱人群，同时损害社会基础的多个方面。 大气污染暴露对呼吸系统的直接和充分记录的影响最为明显。数十年收集的流行病学证据表明，细颗粒物污染物与呼吸系统发病率和死亡率之间存在显著相关性6。当环境空气中的$PM_{2.5}$浓度仅增加10 µg/m³时，呼吸系统死亡率就会增加约0.58%，而呼吸系统疾病的住院率可上升高达8%6。急性和慢性呼吸系统疾病都是空气污染暴露的结果。短期暴露可引发哮喘发作、加重慢性阻塞性肺病(COPD)并增加呼吸道感染的易感性28。长期暴露与哮喘、COPD和肺癌等慢性疾病的发展相关6。脆弱人群的影响尤为明显，包括儿童、老年人、孕妇和有基础呼吸系统疾病的个人6。这些影响的生物机制涉及炎症、氧化应激和免疫功能改变。荟萃分析表明，成人长期$NO_2$暴露每增加10 µg/m³，哮喘发病率增加约10%，揭示了$NO_2$暴露与疾病发病率之间的一致关系3。 尽管呼吸系统影响更容易被直观理解，但心血管影响占了大气污染相关死亡的大部分。对心血管健康的直接影响通过几种途径发生，包括全身性炎症、氧化应激、自主神经系统失衡以及对血管系统的直接影响8。2021年，大气污染导致全球约246万人死亡，5830万伤残调整生命年(DALY)归因于心血管疾病11。表现涵盖心血管疾病的整个范围，包括冠心病、中风、心力衰竭和心律失常。英格兰公共卫生署的模型表明，细颗粒物空气污染每降低1 µg/m³，仅在英格兰就可预防约50,900例冠心病和16,500例中风9。二氧化氮($NO_2$)是一种常见的交通相关污染物，与心血管结局有特定联系。美国环境保护署将$NO_2$暴露与心血管疾病之间的关系分类为"有迹象表明"，反映了不断增长但仍在整合中的证据3。最近的大规模欧洲研究表明，长期$NO_2$暴露与心血管死亡率显著增加相关，即使在浓度低于10 µg/m³的水平下也能观察到影响3。心血管影响强调了污染相关健康影响的全身性质，超越了作为主要暴露途径的呼吸系统。这种系统视角与甜甜圈经济学框架相一致，该框架同样强调环境与社会系统之间的相互联系。 环境暴露对发育中的胎儿和幼儿创造了特殊的脆弱性，使母婴健康成为大气污染研究中的关键考虑因素。最近的系统综述和荟萃分析将产前暴露于环境空气污染物与多种不良出生结局联系起来，包括早产、低出生体重和小于胎龄儿7。怀孕期间暴露于空气污染对母亲和发育中的胎儿都会造成风险。根据一项检验孕产妇$PM_{2.5}$暴露与足月出生体重的荟萃分析，怀孕期间$PM_{2.5}$暴露每增加10 μg/m³，出生体重平均降低约16.54克12。另一项荟萃分析表明，怀孕期间暴露于$PM_{2.5}$、$PM_{10}$和$O_3$会增加早产风险，敏感的暴露窗口因污染物而异13。2024年一项荟萃分析的令人担忧的发现显示，暴露于室内空气污染的孕妇中，超过七分之一至少经历了一种不良妊娠结局14。室内空气污染（通常来自低收入和中等收入国家的烹饪燃料）代表了一个重要但未得到充分解决的暴露途径，不成比例地影响资源有限地区的妇女和儿童。儿童持续的发育过程使他们对空气污染影响特别脆弱。2021年，大气污染被确定为全球5岁以下儿童死亡的第二大风险因素，仅次于营养不良，与该年龄组约70万人死亡相关1。虽然这一负担自2000年以来已下降了50%以上，但它仍然是实现与儿童死亡率相关的可持续发展目标的重大威胁。 最近的研究中出现了关于大气污染对大脑和神经系统影响的新兴且特别令人担忧的证据。证据表明，急性和慢性暴露于空气污染物可能影响整个生命周期的认知功能、情绪调节和神经健康158。短期暴露于常见空气污染物会导致可测量的认知损害。最近的研究表明，短暂暴露于蜡烛烟雾中的颗粒物($PM_{2.5}$)——作为常见城市空气污染的代理——会降低专注任务的能力和检测和解释情绪的能力15。这些发现表明，在日常城市环境中常见的污染水平会产生可测量的认知影响。长期暴露可能导致更深远的神经后果。世界卫生组织现在承认空气污染暴露与神经系统疾病（包括认知损害和痴呆）之间的联系4。这些关联可能由污染引起的神经炎症、氧化应激以及超细颗粒通过嗅神经或穿过血脑屏障直接传输到大脑造成。儿童发育中的大脑对这些影响表现出特殊的脆弱性。证据表明，产前和产后暴露于空气污染可能影响神经发育过程，可能导致以注意力和情绪调节挑战为特征的疾病15。认知和神经影响将大气污染已知的健康负担扩展到传统的心肺影响之外，凸显了污染对人类健康影响的真正全身性质。它们强调了直接医疗支出之外的潜在长期社会成本，包括对教育成就、生产力和生活质量的影响。 预测、气候相互作用和政策途径 检验大气污染相关疾病未来负担的预测模型表明，根据地区和污染物的不同，轨迹各异。使用ARIMA建模的分析表明，在社会人口指数(SDI)水平较低和中高的地区，与大气污染相关的心血管疾病死亡率和DALY率可能会增加11。同时，高SDI地区可能会经历年龄标准化死亡率和死亡率上升，尽管监管框架和医疗系统通常更加健全。这些预测反映了竞争因素之间的复杂相互作用：许多地区技术改进和法规收紧与快速发展地区人口增长、城市化和工业化的对立。如果没有同时解决空气质量和健康公平的有针对性干预措施，今天观察到的对脆弱人群的不成比例影响可能会持续甚至加剧。从全球角度来看，归因于室外空气污染的健康负担可能继续在地理上转移。虽然一些高收入国家的污染水平已趋于稳定或下降，但亚洲和非洲部分地区的快速城市化和工业化可能导致这些地区的暴露增加。预测的健康影响不仅反映污染水平，还反映人口结构的变化，许多国家人口老龄化使其更容易受到空气污染的影响。 气候变化和大气污染代表了相互关联的挑战，具有复合的健康影响。气温上升可能会在许多地区加剧臭氧形成，可能抵消减排带来的一些收益。气候驱动的天气模式变化也可能影响污染物的扩散和浓度，静止事件频率增加可能将污染物困在人口稠密地区16。野火频率和强度的增加代表了特别令人担忧的气候-污染相互作用。野火烟雾含有高浓度的细颗粒物，具有已证实的急性和潜在慢性健康影响15。气候变化增加了许多地区的野火风险，可能使这一污染源成为总体健康负担中更重要的贡献者，特别是考虑到与野火事件相关的高峰值暴露。这些气候-污染相互作用体现了甜甜圈经济学框架中行星边界之间的相互联系。突破气候变化边界加剧了大气污染影响，进一步损害健康这一社会基础。这种反馈说明了为什么同时解决多个行星边界的综合方法对于为人类创造安全和公正的空间至关重要。 技术发展路径和政策选择将显著影响未来的大气污染健康影响。向可再生能源的持续转型可以大幅减少发电带来的空气污染，而交通电气化可以解决城市空气污染的主要来源。然而，这些转型的速度和公平性仍存在不确定性，特别是在资源有限的环境中。平衡短期经济问题与长期健康考虑的政策方法将影响暴露模式。新兴证据表明，在非常低的污染水平下也存在健康影响，这挑战了基于阈值设定的传统监管方法5。如果"无安全阈值"范式继续获得科学支持，可能会出现更严格的法规。医疗系统准备是未来情景的另一个关键维度。暴露与某些健康影响之间的潜伏期意味着医疗系统将在未来几十年继续管理污染相关疾病，即使采取积极的污染减排措施。发展识别、治疗和减轻这些影响的能力，特别是在受影响最严重的社区，对于减少总体健康负担至关重要。 解决大气污染的主要挑战 尽管大气污染健康研究取得了重大进展，但重要的科学不确定性仍然存在。这些包括充分表征空气污染混合物而非单一污染物的健康影响、理解不同污染源和成分的相对毒性，以及识别最脆弱的亚人群。暴露与健康结果之间复杂、通常延迟的关系使这些调查以及向政策制定者和公众传达结果变得复杂5。大气污染科学的技术复杂性为有效的公众沟通带来了挑战。许多空气污染物的不可见性，加上风险的统计表达，使威胁比其他环境危害不那么明显。这可能降低公众对行动的需求，并使建立对必要但可能具有破坏性的政策干预的支持变得复杂。 经济考虑经常对大气污染减缓形成重大障碍。许多污染源嵌入能源生产、工业生产、交通和农业等核心经济活动中。改变这些系统以减少排放通常需要大量投资，可能会破坏现有的商业模式和就业模式。如果没有仔细规划和公正转型框架，这些经济影响可能会产生对污染控制措施的强烈反对。大气污染的政治经济学进一步使减缓努力复杂化。污染减少的好处通常在较长时间内累积并分散在人群中，而成本通常是即时的并集中在特定行业或部门。不对称的政治激励可能有利于继续污染而不是更可持续的替代方案，特别是当强大的经济利益与短期政治考虑一致时17。 解决大气污染最深刻的挑战可能在于公平和正义维度。污染暴露和对其健康影响的脆弱性在社会内部和社会之间的分布都是不平等的。由于靠近工业设施、主要交通走廊和其他排放源，弱势社区通常经历更高的污染水平。这些同样的社区往往获得医疗保健的机会减少、基线疾病负担更高、适应或搬迁的资源更少，造成复合脆弱性179。不平等的分布反映并强化了更广泛的社会权力失衡。从历史上看，产生污染的设施往往选址在政治权力较小、反对资源较少的社区。这些模式造成的环境正义问题不能仅靠技术解决方案来解决，需要对环境治理中的决策过程和权力结构进行根本性审视。从甜甜圈经济学的角度来看，这些公平挑战说明了突破大气污染行星边界如何同时损害社会基础的多个方面，包括健康、公平和发言权（政治参与）。解决这些相互关联的挑战需要同时考虑生态天花板和社会基础的综合方法。 技术、政策和卫生系统机会 多个部门的技术创新为减少污染提供了巨大潜力。在能源部门，可再生能源技术成本的快速下降创造了逐步淘汰高污染化石燃料发电的机会。先进的监测技术，包括低成本传感器和卫星观测，能够进行更全面的污染绘图和热点识别。这些改进的数据来源可以支持更有针对性、更有效的干预措施。交通技术为城市空气质量改善提供了特别有前景的机会。加速向电动汽车过渡可以大幅减少人口稠密地区的交通相关污染。公共交通、城市规划和出行服务方面的互补创新可以进一步减少排放密集型私人车辆的使用，同时改善可及性。在建筑部门，提高供暖和烹饪的效率和电气化可以解决室外和室内空气污染。在传统生物质烹饪仍然普遍存在的发展中地区尤其重要，这代表着对健康的重大风险，特别是对妇女和儿童14。因此，清洁烹饪技术构成了具有显著健康效益和性别平等改善潜力的干预措施。 空气污染控制的政策方法不断发展，以应对挑战的复杂、多部门性质。随着关于较低浓度影响的证据积累，基于健康的空气质量标准继续收紧。这些标准越来越多地纳入累积影响考虑，而不是仅关注单一污染物，反映了人群如何经历污染暴露的现实59。包括污染税、总量控制与交易系统和定向补贴在内的经济工具可以利用市场力量来减少污染，同时为补充公共卫生措施产生收入。当设计得当时，这些方法可以实现环境目标，同时支持经济发展和公平目标。有效性取决于考虑当地经济和社会背景的仔细设计。同时解决多个环境和健康挑战的综合政策方法尤其有前景。促进主动交通（步行和骑自行车）的政策可以减少空气污染，同时解决身体活动不足这一另一主要健康风险因素。同样，城市绿化举措可以减少城市热岛效应、固碳并可能降低当地空气污染浓度，创造多重协同效益。 医疗系统可以通过预防措施、针对脆弱人群的干预措施以及参与更广泛的污染减少倡导来减少大气污染的健康负担。将空气质量考虑纳入临床实践指南，特别是针对呼吸系统和心血管疾病，可以改善受影响患者的管理并减少污染事件期间的急性加重。纳入空气质量数据的公共卫生监测系统可以支持高污染事件期间的预警系统和有针对性的干预措施。扩大监测网络和空气质量预报的改进使这些系统变得越来越可行。这些方法对保护脆弱人群（包括儿童、老年人和有基础疾病者）显示出特别的价值8。医疗专业人员基于对污染健康影响的第一手经验，在倡导更清洁空气方面发挥着重要作用。许多国家的医学和公共卫生组织已成为倡导更具保护性空气质量政策的重要声音，为这些讨论带来了可信度和伦理分量。这一倡导功能代表了科学证据与政策发展之间的关键联系175。 大气污染作为边界，健康作为基础 在甜甜圈经济学框架中，大气污染代表着一个关键的行星边界，一旦被突破，将威胁生态系统和人类福祉。行星边界概念强调生物物理阈值，一旦突破，可能引发非线性、可能不可逆的环境变化。虽然大气污染不像气候变化或生物多样性丧失那样构成全球边界，但它代表了具有重大全球影响的区域聚合边界。越来越多的证据表明，在非常低的污染水平下也存在健康影响，这挑战了基于"安全"阈值的传统监管方法58。这与行星边界概念中嵌入的预防原则一致，表明政策方法应旨在最小化污染，而不是简单地将水平维持在任意定义的"可接受"限度以下。大气污染水平的显著地理差异也凸显了行星边界框架内的区域公平考虑。 健康构成甜甜圈经济学模型中社会基础的基本要素。获得清洁空气直接影响这一基础要素，使空气污染控制对于实现模型所设想的人类安全和公正空间至关重要。大气污染的广泛健康影响——影响呼吸、心血管、生殖和神经系统——说明了突破这一行星边界如何同时损害人类福祉的多个方面284。大气污染暴露和脆弱性的不平等分布进一步表明，环境退化通常不成比例地影响那些已经经历社会基础不足的人。弱势社区通常面临更高的污染水平，同时获得医疗保健的机会减少，造成可能强化现有不平等的复合脆弱性179。这一模式强调了环境政策制定中正义考虑的必要性。 甜甜圈经济学框架呼吁采取同时解决行星边界超越和社会基础不足的方法。对于大气污染，这意味着制定减少污染同时增强健康公平和支持可持续发展的战略。几种有前景的方法符合这一综合愿景：清洁能源转型提供了减少大气污染同时解决气候变化（另一个行星边界）的潜力。当以公平考虑实施时——确保负担得起的能源获取和受影响工人的公正转型——这些方法可以同时尊重生态天花板和支持社会基础。整合绿色空间、主动交通基础设施和混合用途开发的城市设计战略可以减少污染暴露，同时提高生活质量，特别是在历史上承担过大污染负担的弱势社区。这些方法认识到行星边界和社会基础要素的空间维度。有意义地将受影响社区纳入环境决策的参与式治理模式代表了另一种一致的方法。通过确保那些受污染影响最大的人在政策制定中拥有发言权，这些模式同时解决了环境挑战和政治声音与赋权这一社会基础要素175。通过这些综合方法，解决大气污染不仅成为环境管理挑战，更成为重新构想经济和社会系统的机会，使其能够同时维护人类和地球——这是甜甜圈经济学框架的核心愿景。 主要发现和前进道路 通过甜甜圈经济学框架审视大气污染对人类健康的影响，揭示了几个对研究、政策和行动具有重大意义的关键发现。 科学证据明确表明，大气污染代表着主要的全球健康风险，影响涵盖呼吸、心血管、生殖和神经系统。即使在低于当前许多监管标准的污染水平下也会发生这些影响，挑战了基于阈值设定的传统监管方法58。健康负担分布不平等，弱势社区通常经历更高的暴露水平和对健康影响更大的脆弱性，造成同时损害多个社会基础要素的复合不公正。 未来趋势表明前景喜忧参半，许多地区技术改进和法规收紧与快速发展地区人口增加、城市化和工业化相互抵消。气候变化相互作用，特别是野火风险增加和大气化学改变，可能进一步使污染管理工作复杂化。这些复杂的相互作用体现了同时超越多个行星边界如何造成损害社会基础的复合挑战。 通过技术创新、政策发展和社会变革，存在减少大气污染及其健康影响的重大机会。能源转型、交通变革和建筑部门改进提供了大幅减排的途径。纳入基于健康的标准、经济工具和综合规划的政策方法可以加速这些转型，同时解决公平问题。医疗系统可以通过预防方法、针对脆弱人群的干预措施以及倡导更强的污染控制做出贡献。 甜甜圈经济学框架为理解和解决大气污染挑战提供了宝贵视角。通过将大气污染概念化为直接影响健康社会基础的行星边界，该框架强调了同时解决环境保护和社会公平的综合方法的必要性。这些方法与更广泛的可持续发展目标一致，特别是可持续发展目标3（良好健康与福祉）、可持续发展目标11（可持续城市和社区）和可持续发展目标13（气候行动）。 研究重点应包括更好地表征低浓度下的污染影响、理解污染混合物而非单一污染物的影响，以及识别减少健康影响的最有效干预点。政策发展应强调预防方法、公平考虑以及同时解决多个环境和社会挑战的协同效益机会。解决大气污染需要重新构想经济和社会系统，以创造人类需求在行星边界内得到满足的安全和公正空间。 ...

揭示海洋污染的深度 全球航运业虽然对国际贸易和经济增长至关重要，但却在很大程度上造成了我们海洋和大气中的化学污染。 这种污染远远超出了经常占据头条新闻的可见石油泄漏。它包含空气污染物、温室气体和水污染物的复杂混合物，对环境和人类健康都有深远的影响。 开始我们的探索时，让我们回顾一下这个问题的历史背景。 从帆船到燃烧：船舶污染的历史 船舶化学污染问题随着全球海上贸易的增长而演变。自20世纪中期以来，海上贸易量急剧增加，导致船舶污染相应上升1。 最初，焦点主要放在石油泄漏和可见的水污染上。然而，随着我们对大气化学和海洋生态系统理解的深入，关注范围已扩大到包括空气排放及其次生效应12。 这一历史视角为理解船舶相关污染的现状奠定了基础。 波涛汹涌：今日的船舶污染 目前，船舶相关污染在多个方面提出了重大挑战。我们可以将当前状态分为两大类：空气污染和水污染。 船舶与空气——令人窒息的现实 船舶排放代表了全球空气污染控制中最重大的挑战之一，呈现出影响人类健康和环境系统的有害污染物的复杂混合物。 排放物包含几种危险成分，包括二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOCs），这些共同对公共健康和环境稳定构成严重风险32。 从角度来看，航运业贡献了全球约15%的NOx排放和13%的SOx排放，使其成为全球空气污染的主要贡献者1。 这些污染物产生了远远超出航线附近区域的有害影响级联。也许最令人担忧的是对人类健康的直接影响，研究表明，船舶排放与全球每年约14,500-37,500例过早死亡有关，主要由心血管和呼吸系统疾病引起14。 考虑到这些污染物的大气相互作用时，问题变得更加复杂。研究表明，船舶排放的污染物并非孤立存在，而是与其他大气成分相互作用，导致形成臭氧和二次气溶胶等二次污染物13。 虽然当前研究的主要焦点集中在对空气质量的直接影响上，但认识到更广泛的环境影响也很重要。船舶还排放大量温室气体，加剧了全球气候变化这一更大挑战3。 地方空气质量与全球气候影响之间的这种相互联系强调了解决海洋污染的复杂性。 水污染的隐形威胁 船舶造成的水污染代表了超越空气排放的重大环境问题。船舶通过几个关键机制造成海洋污染。 污染物直接排放到水体中既通过日常运营也通过事故发生，对海洋生态系统造成持久影响。货船和燃油箱中石油和化学品的意外泄漏对海洋生物构成特别严重的风险。 当这些泄漏发生时，它们可以摧毁整个生态系统，影响从微生物到大型海洋哺乳动物的一切5。这些影响往往在初始事件后持续很长时间，扰乱食物链并损害沿海栖息地。 舱底水排放向海洋环境引入了另一个重要的污染源。这种受污染的水积聚在船舶的最低处，通常含有油、化学品和其他有害物质的混合物。 当排放到海洋中时，这些污染物可以伤害海洋生物并降低水质5。即使是少量但持续的舱底水排放也可能导致繁忙航道中的慢性环境压力。 配备洗涤器系统的船舶虽然有助于减少空气污染，但无意中造成了另一种形式的水污染。这些系统在清洁废气时产生酸性废水，这些废水含有直接排放到水中的浓缩污染物3。 这种做法本质上是将污染从空气转移到海洋环境，引发了关于此类技术解决方案总体环境影响的问题。船舶造成的这些各种形式的水污染展示了航运业面临的复杂挑战。 海洋污染的新兴潮流 航运业面临着解决其环境足迹的越来越大的压力，最近的监管变化标志着该行业处理排放和污染控制方式的重大转变。 国际海事组织（IMO）2020年关于船用燃料硫含量的法规代表了海洋环境政策的分水岭2。这些法规已开始重塑行业实践，尽管其实施揭示了复杂的挑战。 一个紧迫的担忧集中在氮氧化物排放上，尽管在减少硫排放方面取得了进展，但氮氧化物排放继续上升2。这一趋势突出表明，专注于一种污染物有时会掩盖其他环境影响。 预期的全球贸易增长为减排努力带来了额外的复杂性。随着航运量的扩大，即使个别船舶效率的显著提高也可能无法阻止环境影响的整体增加3。 航运业对新技术的采用为环境保护带来了机遇和挑战。考虑一下洗涤器系统，它们例证了技术解决方案如何产生意想不到的环境权衡。 虽然这些系统有效地减少了空气排放，但同时产生了需要谨慎管理的水污染问题36。这种情况强调了全面评估新技术的重要性。 与船舶污染的斗争 航运业在减少环境影响的努力中面临几个相互关联的挑战。 排放法规的执行提出了特别复杂的挑战，特别是在管辖权和监督变得模糊的国际水域。船舶跨越多个国家边界，在国际水域花费大量时间，使得环境标准的一致监测和执行变得非常困难2。 当我们审视更清洁航运的技术方面时，我们在开发和实施方面都遇到了重大障碍。创造能够有效减少排放同时保持船舶性能的新技术需要重大的工程创新。 这些技术必须在恶劣的海洋环境中可靠运行，处理商业航运运营的巨大规模，并证明具有足够的成本效益以便广泛采用6。 经济考虑为航运环境改善增加了另一层复杂性。该行业以微薄的利润运营并面临激烈的竞争，这导致对可能增加运营成本的环境技术投资产生抵触6。 当我们考虑船舶排放的复杂化学及其与海洋大气的相互作用时，理解航运的环境影响变得更加具有挑战性。科学家们继续研究各种污染物如何相互作用以及如何与海洋环境相互作用，经常发现新的关系和影响1。 更绿色航运的机遇 航运业提供了几个有前途的环境改善机会，特别是随着技术的进步和环境意识的增长。 排放控制区（ECAs）的扩大和加强代表了减少沿海地区海洋污染的强大工具。这些适用更严格环境法规的指定区域已经证明了它们在减少有害排放方面的有效性42。 替代燃料开发为海运部门的环境改善开辟了另一条途径。该行业对更清洁燃料选择的探索，包括液化天然气和氢气，显示出特别的前景6。 这些燃料可以显著减少航运运营的环境影响，同时为未来更清洁的技术提供桥梁。 ...