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轮胎微塑料添加剂6PPD及其毒性代谢物6PPD-Q在佛罗里达Lower Hillsborough River地表水中的分布特征及检测方法研究。摘要通过开发在线固相萃取-HPLC-MS/MS新方法，实现痕量检测（MDLs低至0.0028-0.031 ng/L），发现6PPD-Q浓度范围0.29-11.60 ng/L且与6PPD强相关（r=0.66），呈现降雨驱动的季节性变化规律。
Kassidy Troxell|Milena Ceccopieri|Mary Beth Cavanaugh|Jinsheng Huang|Courtney Heath|Daniel Omana|David Hajiyev|Christopher S. Robbins|Piero Gardinali
佛罗里达国际大学环境研究所，比斯坎湾校区，北迈阿密，FL 33181，美国
摘要
微塑料（如轮胎磨损颗粒及其相关的轮胎衍生化学物质）已成为城市地表水中的新兴污染物。N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-p-苯二胺（6PPD）及其有毒转化产物6PPD-醌（6PPD-Q）在道路径流中广泛存在，但由于其含量低、基质干扰以及在样品处理过程中易降解，难以在环境相关浓度下进行定量分析。本文开发并验证了一种在线固相萃取-高效液相色谱-串联质谱（SPE-HPLC-MS/MS）方法，用于灵敏且可靠地测定地表水中的6PPD和6PPD-Q。该方法具有较低的检测限，并且对基质效应具有很强的抗性，能够实现痕量水平的常规监测。该方法应用于2023年至2024年间从美国佛罗里达州希尔斯伯勒河下游采集的地表水样本。所有样本中均检测到6PPD-Q（浓度范围为0.29-11.60 ng/L；平均值为1.82 ± 2.02 ng/L），而6PPD的检出频率较低（未检出至1.62 ng/L；平均值为0.20 ± 0.39 ng/L）。6PPD和6PPD-Q的浓度之间存在强相关性（r = 0.66，p < 0.001），并表现出明显的降雨驱动和季节性变化模式，表明它们通过雨水径流进行传输和转化。观察到的浓度处于全球城市地表水报道的较低范围内。据我们所知，本研究提供了佛罗里达州水体中6PPD和6PPD的首个数据集。这些结果展示了在线SPE-HPLC-MS/MS方法在追踪城市化流域中轮胎衍生污染物方面的有效性，并强调了鉴于其环境持久性和生态毒性，需要继续进行区域性和全球性的监测。
引言
合成橡胶在汽车工业中的广泛应用引发了人们对轮胎磨损颗粒（TWPs）及其相关化学添加剂环境影响的日益关注（Wik和Dave，2009；Wagner等人，2018；Zhao等人，2023b）。作为微塑料的一个子集，轮胎磨损颗粒加剧了人类世时期的塑料污染问题，宏观和微观塑料碎片渗入淡水和海洋生态系统，通过摄入、缠绕和化学暴露对水生生物造成致命或亚致死风险（Thushari和Senevirathna，2020）。其中，N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-p-苯二胺（6PPD）是一种常用的抗氧化剂和抗臭氧剂，可保护橡胶化合物免受氧化、臭氧和紫外线辐射的降解（Aimura和Wada，2006）。然而，最近的研究发现，6PPD与臭氧反应后形成的6PPD-醌（6PPD-Q）是一种高毒性污染物（Cao等人，2022；Kryuchkov等人，2023），尤其是在道路附近的雨水径流中（Monaghan等人，2021；Tian等人，2021；Cao等人，2022；Zhang等人，2023a；Lane等人，2024；Liu等人，2024）。除了道路径流外，6PPD和6PPD-Q还普遍存在于地表水（Challis等人，2021；Johannessen等人，2021；Monaghan等人，2021；Rauert等人，2022a；Zhang等人，2023a；Zhang等人，2023b；Lane等人，2024）、地下水（Zhang等人，2023b）、空气颗粒（Cao等人，2022；Johannessen等人，2022b；Olubusoye等人，2023；Sanganyado，2025；Wang等人，2022；Zhang等人，2022）、土壤（Cao等人，2022）和沉积物（Zeng等人，2023）中。即使在低浓度下，6PPD-Q也与水生生物的急性毒性有关（Brinkmann等人，2022；Liao等人，2024；Lv等人，2025），包括太平洋西北部银鲑（Oncorhynchus kisutch）的大规模死亡事件（Tian等人，2021）。最近的研究还表明，这些化合物对人体健康具有潜在的负面影响，如肝毒性、肠毒性、肺毒性、神经毒性和心脏毒性（Lee等人，2025；Song等人，2024；Wan等人，2024；Zhang等人，2025）。
除了毒性影响外，6PPD和6PPD-Q还可以作为城市雨水对地表水贡献的潜在示踪剂（Halama等人，2024；Johannessen等人，2022a；Nicomel和Li，2023）。化学示踪剂是具有独特来源、在环境中稳定且易于检测的化合物。长期以来，化学示踪剂被用于水质监测，以确定地表水和地下水的污染源和路径。例如，咖啡因和蔗糖常用于追踪废水排放（Batchu等人，2015；Buerge等人，2003；Gardinali和Zhao，2002），而有机磷阻燃剂和防腐剂（如苯并噻唑或苯并三唑）则指示来自道路径流和其他车辆相关活动的污染（Zhang等人，2024）。轮胎生产添加剂6PPD留下了独特的化学特征，可以用来追踪车辆活动和道路径流路径，因为它直接来源于轮胎磨损。这一特性使其成为评估城市基础设施对水生环境影响和评估雨水管理实践的宝贵工具。
6PPD及其衍生物作为优先环境污染物的认识日益增加，以及这些化合物作为城市雨水示踪剂的相关应用，突显了开发灵敏、选择性强的分析方法的迫切需求，以便在高浊度或咸水等复杂环境基质中准确量化这些化合物。目前检测6PPD和6PPD-Q的分析方法主要依赖于液相色谱与三重四极杆质谱联用（Tian等人，2021；Cao等人，2022；Rauert等人，2022a；Zhao等人，2023a；Zhang等人，2023a；Kryuchkov等人，2023；Zhang等人，2023b；Lane等人，2024）和高分辨率质谱（LC-HRMS，例如Challis等人，2021；Johannessen等人，2021；Seiwert等人，2022；Redman等人，2023；Yan等人，2024），因为这些方法能够实现高灵敏度和选择性。然而，在样品制备、基质效应和回收效率方面仍存在挑战，尤其是在分析复杂环境样品时。手动或半自动固相萃取（SPE）已被广泛用于预浓缩和净化（例如Kryuchkov等人，2023；Rauert等人，2022；Tian等人，2021；Zhang等人，2023b；Zhao等人，2023a），但这些方法可能劳动强度大，操作者差异较大，并且容易因手动处理而受到污染。此外，6PPD和6PPD-Q在不同储存和处理条件下的稳定性和萃取效率尚未完全了解，需要进一步的方法优化。
为了实现对水生环境中轮胎衍生污染物的灵敏可靠监测，开发了一种将在线SPE与液相色谱与三重四极杆质谱（HPLC-MS/MS）结合的强大分析工作流程，用于检测和量化各种环境样本中的6PPD及其转化产物6PPD-Q。该方法经过优化，以提高回收率、灵敏度和重现性，同时减少手动样品制备、基质干扰、溶剂消耗和分析时间，从而提高方法效率并确保可靠的环境评估。由于近海和城市地表水中的环境相关浓度通常处于低ng/L至亚ng/L水平，因此需要亚ppt级别的检测限（MDL）才能进行有意义的监测。本研究描述了在线SPE-HPLC-MS/MS方法的开发和验证，通过方法验证参数（检测限、定量限、线性、精度和准确性）评估其分析性能，并将其应用于佛罗里达州希尔斯伯勒河的地表水，以评估6PPD和6PPD-Q在城市径流和水生生态系统中的存在情况。
研究区域
希尔斯伯勒河（图1）是佛罗里达州中西部的一条亚热带、低坡度河流，流域面积约为1,749平方公里，从格林沼泽流向希尔斯伯勒湾，后者是坦帕湾的一个子流域（SFWMD，2006；Kunneke和Palik，1984）。该流域包含多种土地利用类型，其中高度城市化的区域集中在坦帕市内的河流下游（Casper等人，2012；Pillsbury和Byrne，2007）。希尔斯伯勒河提供了超过90%的饮用水供应
方法性能
本研究提出了一种集成HPLC-MS/MS方法，结合自动在线固相萃取（SPE），用于同时测定地表水中的6PPD及其转化产物6PPD-Q。该方法具有出色的灵敏度，6PPD的检测限（MDL）为0.030 ng/L（淡水）和0.031 ng/L（咸水），6PPD-Q的检测限为0.0028 ng/L（淡水）和0.012 ng/L（咸水）。这些数值属于全球最低水平之一，超过了之前的报道
结论
本研究提出了一种高度灵敏且可重复的方法，用于分析6PPD及其转化产物6PPD-Q，显著增强了环境监测能力。更深入地了解轮胎衍生污染物的命运和传输过程，可以支持对轮胎添加剂的监管措施，并改善雨水污染控制。将这种方法应用于希尔斯伯勒河下游的地表水，这是佛罗里达州首次报道此类数据，揭示了
CRediT作者贡献声明
Courtney Heath：写作——审稿与编辑，调查。Daniel Omana：写作——审稿与编辑，调查。David Hajiyev：写作——审稿与编辑，调查。Christopher S. Robbins：写作——审稿与编辑，概念化。Piero Gardinali：写作——审稿与编辑，监督，资源管理，概念化。Kassidy Troxell：写作——审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，监督，项目管理，方法学，调查，
未引用参考文献
加利福尼亚州有毒物质控制部门，2023年；美国人口普查局，2024年；美国环境保护署，2022年。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
这是佛罗里达国际大学环境研究所的出版物#XXXX。本材料基于Ocean Conservancy公司提供的资助（Grant No. 800019961和800020234），该公司对推进沿海水质研究的承诺使该项目成为可能。我们感谢Mary Lusk博士（UF IFAS）在野外工作方面的支持，以及她的实验室技术人员Madlyn Alberts和Gina Rappleyea在样本收集方面的协助。
