《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Weathering-modulated gut-liver toxicity of tire wear particles in zebrafish: Source-specific effects and multi-omics insights
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本研究针对环境风化如何改变重载(HTWPs)和轻载(LTWP)轮胎磨损颗粒的理化特性及其毒性效应这一关键问题，通过相分离实验设计系统评估了颗粒相与浸出液的独立毒性。研究发现风化过程通过增加表面含氧官能团和金属锌释放而重塑毒性分布：原始颗粒引发更强系统性毒性（氧化应激、肠道菌群失调、免疫/凋亡通路激活），而浸出液导致胚胎发育毒性（心脏毒性、孵化延迟）。多组学分析表明风化并非简单降低而是重新分配TWP毒性，且重载轮胎毒性始终高于轻载轮胎。该研究为车辆非尾气排放的生态风险评估提供了关键科学依据。
随着全球汽车保有量的持续增长，一种隐形污染源——轮胎磨损颗粒(Tire Wear Particles, TWPs)正悄然成为水环境微塑料污染的主要贡献者。这些由轮胎与路面摩擦产生的微小颗粒，通过地表径流、废水排放和大气沉降进入水体，每年在欧盟地区就有约130万吨轮胎磨损物释放到环境中。更令人担忧的是，沿海区域在暴雨期间会接收高浓度TWP的路面径流，浓度可达12-179毫克/升。现有研究表明，TWPs及其浸出液对水生生物具有显著毒性，如在中国绒螯蟹中积累并破坏能量代谢，在斑马鱼胚胎中引起死亡率增加、孵化延迟和畸形等发育缺陷。
然而，自然环境中TWPs会经历风化过程（如紫外线辐射、机械磨损和化学降解），这些过程如何改变其理化性质和毒性效应，特别是不同来源车辆（重载与轻载）轮胎产生的TWPs是否存在毒性差异，以及毒性在颗粒相与溶解相之间的分布规律，这些关键科学问题尚未得到系统阐释。传统研究多单独评估颗粒或浸出液，而风化后颗粒与其浸出液共同存在时的复合效应仍不清楚。为此，青岛科技大学生物工程学院琚晶教授团队在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上发表了最新研究成果，通过多组学方法揭示了风化作用对轮胎磨损颗粒毒性的调控机制。
研究人员采用相分离实验设计，分别制备了重载车辆(HTWPs)和轻载车辆(LTWP)的原始与风化后TWPs及其浸出液。关键技术方法包括：扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征颗粒理化性质；电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析金属释放；斑马鱼成鱼15天暴露实验评估颗粒相毒性；斑马鱼胚胎暴露实验评估浸出液发育毒性；16S rRNA测序分析肠道菌群；肝脏转录组测解析分子机制；氧化应激指标（SOD、CAT、GST、MDA）定量分析。
3.1. HTWPs和LTWPs的表征分析
通过SEM和FTIR分析发现，原始HTWPs表面粗糙有皱纹，而原始LTWPs相对平滑。浸出后两者表面粗糙度、微裂缝和孔隙率均增加，LTWPs表现出更明显的破碎现象。FTIR光谱显示浸出后含氧官能团（如-COOH、C=O）信号增强。ICP-MS分析表明锌(Zn)是浸出液中的主导金属，HTWPs的锌释放量更高。GC-MS定性筛查发现HTWP浸出液含有更多有机特征物（32个vs LTWP的17个），包括轮胎相关的苯并噻唑衍生物。
3.2. TWPs对斑马鱼生理和发育的影响
成鱼暴露实验显示，原始HTWPs(HT-P)显著降低体重、鳃重、肝重、肠重、体长和体宽等生理指标，而风化后HTWPs(HT)毒性减弱。原始LTWPs(LT-P)仅显著降低体重和鳃重，风化后LTWPs(LT)效应轻微。胚胎暴露实验中，两种浸出液均引起浓度依赖性发育损害：自发运动减少、心率下降、孵化延迟、体长缩短，且HTWP浸出液毒性更强，在75%浓度下孵化成功率降至20%，100%浓度时完全无法孵化。
3.3. 斑马鱼对TWPs和浸出液的氧化应激响应
氧化应激指标显示，原始HTWPs(HT-P)在鳃和肝脏中引起最强烈的氧化扰动，显著提高超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量。风化后TWPs氧化应激响应减弱，但HT组肝脏中谷胱甘肽-S-转移酶(GST)活性和MDA仍显著高于对照。胚胎暴露于25%浸出液时，HTWP浸出液显著升高MDA水平和CAT、GST活性，而LTWP浸出液变化不显著。
3.4. TWP暴露后斑马鱼肠道菌群结构和功能
16S rRNA测序显示，原始TWP暴露降低肠道菌群Shannon多样性，改变群落结构：变形菌门(Proteobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)增加，梭杆菌门(Fusobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)减少。在属水平上，原始HTWPs富集了不动杆菌属(Acinetobacter)和吉姆杆菌属(Gemmobacter)等机会致病菌。共现网络分析表明原始TWP暴露显著降低菌群网络复杂性（节点和边数减少），而风化后TWPs组网络结构有所恢复。PICRUSt2功能预测显示原始HTWPs组富集免疫系统、外源物生物降解和代谢等通路。
3.5. TWPs对斑马鱼转录组谱的影响
转录组分析发现原始TWP暴露引起更多差异表达基因(DEGs)和更大幅度的表达变化。原始HTWPs组显著富集RIG-I样和NOD样受体通路、MAPK信号通路、凋亡和细胞色素P450介导的外源物代谢通路。基因本体(GO)分析显示HT-P组富集免疫激活相关术语（如"溶酶体"），而LT-P组更明显富集线粒体/能量相关术语（如"氧化磷酸化"）。蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络分析确定casp3a、jun、chuk、bcl2l1和stat1a等枢纽基因，集中于凋亡和炎症/应激信号。风化后TWP组免疫和解毒通路富集减少。
3.6. TWP浸出液对斑马鱼胚胎转录组谱的影响
胚胎转录组显示HTWP浸出液上调氧化磷酸化、吞噬体和凋亡通路，下调视黄醇代谢、亚油酸代谢和类固醇生物合成；LTWP浸出液上调花生四烯酸代谢、NOD样受体信号和凋亡通路，下调谷胱甘肽代谢和光转导通路。RT-qPCR验证了cox6a1（细胞色素c氧化酶亚基）上调和guca1c（光转导关键基因）下调等关键变化。
研究结论与讨论部分强调，风化作用通过改变TWP表面性质和化学组成重新分配而非简单降低其毒性：浸出过程去除可溶性有毒成分（如锌和有机添加剂），减弱颗粒相直接毒性，但浸出液仍保持发育毒性。重载车辆TWPs因锌释放更高、有机指纹更复杂而毒性更强。该研究首次系统揭示了风化作用和车辆来源对TWP毒性的双重调控机制，强调了在生态风险评估中需同时考虑颗粒相和溶解相的复合效应，特别是对重载车辆轮胎磨损颗粒的优先管控。研究成果为制定车辆非尾气排放管理策略提供了重要科学依据，建议通过优化轮胎配方（特别是重载轮胎）和加强 stormwater 处理等措施从源头控制TWP污染。
