微米和纳米级轮胎颗粒混合物的风化作用会增加鱼类幼体和糠虾幼体的摄食量，并抑制其生长

《Environmental Pollution》：Weathering of a micro and nanosized tire particle mixture increases ingestion and growth inhibition in larval fish and juvenile mysid shrimp

本研究评估了新旧多轮胎混合物对两种水生生物（银色侧鱼和小虾）的行为及生长影响，发现天气化轮胎颗粒具有更广泛的生态毒性，并强调需在毒性评估中考虑混合物和多种生物。

　　

克拉丽莎·拉古索（Clarissa Raguso）|塞缪尔·阿里奥拉（Samuel Arriola）|劳伦·M·卡希瓦巴拉（Lauren M. Kashiwabara）|布莱恩·哈珀（Bryan Harper）|玛丽娜·拉萨尼（Marina Lasagni）|斯泰西·哈珀（Stacey Harper）|苏珊娜·M·布兰德（Susanne M. Brander）

米兰比科卡大学（University of Milano Bicocca）地球与环境科学系，意大利米兰科学广场1号（Piazza della Scienza 1），20126

摘要

驾驶过程中轮胎磨损是海洋中二次微塑料的主要来源。轮胎颗粒（TPs）由多种成分组成，这些成分因轮胎类型而异，可能影响其毒性。然而，大多数毒理学研究仅关注单一轮胎类型或与单一轮胎相关的化学物质，忽略了多种轮胎混合物的环境影响。本研究调查了具有环境相关性的原始轮胎混合物和风化轮胎混合物对两种河口物种——内陆银侧鱼（Menidia beryllina）和美西米虾（Americamysis bahia）的行为和生长影响。我们将受精后5天的鱼胚胎和7天大的美西米虾暴露于微米级（1-20 μm）和纳米级（<1 μm）的轮胎颗粒中，浓度分别为10、100、1000和10,000个颗粒/升，但对内陆银侧鱼没有这种影响。总体而言，研究表明，风化的混合轮胎颗粒的影响范围更广，并且与单一轮胎类型产生的原始颗粒相比，对美西米虾的影响更大（这一点通过与其他研究的比较得到证实）。这些发现强调了需要超越单一轮胎类型的测试，考虑老化颗粒，并在毒性评估中包含多种物种，以更好地捕捉物种特异性反应。

引言

塑料污染已成为一个严重的全球环境问题，这主要是由于过去一个世纪塑料产量的大幅增加（Borrelle等人，2020年；Geyer等人，2017年）。塑料产量的增长与塑料废物管理不善相结合，使海洋成为废物的储存库（Ostle等人，2019年）。虽然管理不善的塑料废物仍然是海洋污染的主要来源（Andrady和Koongolla，2022年），但最近的研究也强调了驾驶过程中轮胎磨损的显著贡献，这占全球微塑料排放量的28%（Boucher和Friot，2017年；Mayer等人，2024年）。轮胎颗粒（TP）污染是一个值得关注的环境问题，据估计每年全球有3,369,698公吨的轮胎颗粒被释放到环境中（Kole等人，2017年）。美国每年的排放量最大，为1,524,740公吨。其他国家，包括中国、印度、日本、意大利、挪威和丹麦，每年的排放量在6,721至756,240公吨之间（Kole等人，2017年）。尽管轮胎颗粒的排放量很大，但它们直到最近才在环境研究中被归类为微塑料和纳米塑料（MNPs），因此可能被低估了（Knight等人，2020年；Werbowski等人，2021年）。

尽管环境中释放的轮胎颗粒数量庞大，但在2000-2019年间，只有1%的微塑料研究涉及轮胎颗粒污染（Knight等人，2020年）。关于环境中的轮胎颗粒浓度的研究发现，河流沉积物和路边排水沟中的浓度范围为每5毫升0.6 ± 0.33至65 ± 7.36个颗粒（Knight等人，2020年），道路径流进入地表水中的浓度为0.03至56毫克/升，高流量区域沉积物中的浓度高达155克/千克干重（Wik和Dave，2009年）。虽然环境中的轮胎颗粒浓度被大大低估了，但由于缺乏能够检测微塑料和纳米塑料的标准方法和技术，实际浓度可能远高于这些估计值（Cunningham等人，2023年；Knight等人，2020年；Weber和Kerpen等人，2023年）。

除了环境中的数量不确定性外，了解轮胎颗粒的生态风险还需要考虑其化学组成及其相关的生物效应。轮胎颗粒是一种复杂的混合物，由聚合物（40-50%）、填料（30-35%）、软化剂（15%）和各种添加剂（5-10%）组成，具体组成因轮胎类型和使用情况而异（Johannessen等人，2022年；Sommer等人，2018年）。乘用车轮胎含有更多的合成橡胶，卡车轮胎含有更多的天然橡胶，而重型车辆轮胎则完全不含合成橡胶（Grammelis等人，2021年）。轮胎的使用和组成复杂性可能与它们的潜在毒性相关。

尽管存在这种变异性，但迄今为止的实验室研究主要集中在来自单一轮胎类型的颗粒上，这并不能反映环境中的轮胎颗粒污染的化学复杂性。Cunningham等人（2022年）研究了来自新型未使用过的标准乘用车轮胎的轮胎颗粒对斑马鱼胚胎（Danio rerio）和甲壳类动物Daphnia magna的影响，将它们暴露于微米级（1-20 μm）和纳米级（<1 μm）的轮胎颗粒及其渗滤液中。研究发现，纳米颗粒显著增加了毒性，导致两种物种的死亡率升高以及Danio rerio的孵化延迟和轴畸形。使用相同的微米级和纳米级轮胎颗粒及其渗滤液，Siddiqui等人（2022年）发现Menidia beryllina和Americamysis bahia的游泳行为发生了显著变化，微米级轮胎颗粒导致两种生物的生长减少，而纳米级轮胎颗粒特别影响M. beryllina的生长。RNA测序显示，暴露于新型汽车轮胎产生的风化和原始微米级及纳米级轮胎颗粒的M. beryllina在肌肉收缩、细胞信号传导和渗透调节相关途径中出现了紊乱（Hutton等人，2024年）。Schell等人（2022）观察到，在暴露于来自报废乘用车轮胎的25-75 μm轮胎颗粒（浓度为0.15和0.015克/升）21天后，D. magna的繁殖输出和存活率下降。Khan等人（2019）报告称，在暴露于500至2000个颗粒/毫升的轮胎颗粒21天后，这些颗粒显著影响了端足类动物Hyalella azteca的死亡率、新生个体数量和净生长。这六项研究使用了来自特定轮胎类型的轮胎颗粒：新型未使用过的标准乘用车轮胎（Cunningham等人，2022年；Hutton等人，2024年；Siddiqui等人，2022年）、报废轮胎（Khan等人，2019年）和报废乘用车轮胎（Schell等人，2022年）。

相比之下，研究多种轮胎类型混合物的研究非常有限。据我们所知，Jackson等人（2025年）是唯一一项研究微米级（1-20 μm）和纳米级（<1 μm）颗粒及其渗滤液混合物生态毒性的研究。斑马鱼胚胎和溞类被暴露于由原始乘用车轮胎（41%）、轻型卡车轮胎（14%）和卡车/公交车轮胎（45%）组成的混合物中，结果显示斑马鱼胚胎孵化延迟，溞类的存活率和摄食量减少。

虽然单一轮胎的研究一致报告了不良影响，但它们未能捕捉到环境中多种轮胎类型带来的化学复杂性和潜在的复合效应。关于多种轮胎混合物的研究有限，特别是关于这些混合物中风化颗粒的研究，这明显反映了在理解生态影响方面的不足，并限制了准确的生态风险评估。

在这项研究中，我们评估了一种基于美国的微塑料和纳米塑料混合物的毒性，比较了原始颗粒和风化颗粒及其相应渗滤液的影响。我们的研究重点关注了两种被美国环境保护署（USEPA）用于风险评估的河口物种的早期生命阶段：M. beryllina和A. bahia（USEPA，2002年；2009年）。这两种物种在河口食物网中扮演关键角色，并因快速产卵和快速发育至性成熟而在生态毒理学中得到广泛应用。使用与我们实验室中单一轮胎类型暴露相同的模型生物（Siddiqui等人，2022年）以及Jackson等人（2025年）使用的相同环境相关混合物，使我们不仅能够识别多轮胎暴露下的毒性，还能评估单一轮胎暴露和多轮胎暴露之间的毒性差异。我们假设：a) 我们研究中使用的多轮胎混合物对两种物种的影响将比以往研究中使用的单一轮胎类型更广泛，因为其化学复杂性更高；b) M. beryllina和A. bahia将表现出物种特异性的反应，预计对风化轮胎颗粒的敏感性会增加，因为风化会改变颗粒表面，促进生物膜的形成并增强相关化学物质的释放和生物利用度。

章节片段

轮胎颗粒和渗滤液的制备

本实验使用了美国轮胎制造商协会（USTMA）提供的冷冻研磨轮胎胎面（CMTT）复合材料。该复合材料代表了环境中可能遇到的典型轮胎材料混合物，特别设计以反映美国轮胎类型的比例。USTMA根据2016年、2017年和2018年的轮胎运输数据制定了这一估计。混合物由三种主要类型的轮胎材料组成：

轮胎颗粒的表征

基于流式细胞术和纳米颗粒跟踪分析，微米级和纳米级轮胎颗粒的平均直径分别为2.1 ± 1.2 μm和215.8 ± 3.1 nm（图S3和图S4）。扫描电子显微镜（SEM）成像确认了两种颗粒的尺寸和形态（图S5）。风化的微米级轮胎颗粒表面比原始微米级轮胎颗粒更粗糙、更不规则，这可能是由于紫外线风化过程中的光降解和热降解所致。原始颗粒和风化颗粒之间未观察到这种表面形态的差异

生长抑制和轮胎颗粒的内化

总体而言，M. beryllina摄入的微米级轮胎颗粒少于A. bahia，这可能归因于它们的摄食行为差异（Bour等人，2018年）。作为底栖生物，A. bahia在沉积物-水界面摄取微米级轮胎颗粒，而M. beryllina是浮游生物，在水柱中摄取颗粒，那里微米级轮胎颗粒的浓度可能较低。这种差异突显了在生态毒理学研究中包含多种生态相关物种的重要性，因为摄食策略会影响

结论

据我们所知，这是首次研究具有环境相关性的风化轮胎混合物的影响，更准确地反映了现实世界的轮胎污染情况。我们的结果显示，轮胎颗粒浓度与摄入率之间存在正相关。两种物种在暴露于风化轮胎颗粒时摄入率均较高，A. bahia的摄入量更多，这可能与其底栖生活方式有关。

观察到了物种特异性的反应，风化轮胎颗粒

CRediT作者贡献声明

塞缪尔·阿里奥拉（Samuel Arriola）：方法学、研究、数据管理。劳伦·M·卡希瓦巴拉（Lauren M. Kashiwabara）：写作——审稿与编辑、方法学、研究、数据管理。克拉丽莎·拉古索（Clarissa Raguso）：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法学、研究、数据分析、概念化。斯泰西·哈珀（Stacey Harper）：写作——审稿与编辑、资源获取、概念化。苏珊娜·M·布兰德（Susanne M. Brander）：写作——审稿与编辑、监督

未引用的参考文献

Chen等人，2020年；Fuiman和Magurran，1994年；Holmes和Turner，2009年；Liu等人，2021a年；Schn?rr等人，2012年；Simon等人，2021年；Suckling，2021年；Weber和Kerpen，2023年；Zhang等人，2024年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。