加拿大最繁忙高速公路附近轮胎磨损颗粒及潜在有毒元素的扩散衰减：评估地衣移植作为生物监测工具的可行性

《Environmental Research》：Distance decay of tire wear particles and potentially toxic elements near Canada’s busiest highway: Assessing lichen transplants as biomonitors

非排放交通污染中轮胎磨损颗粒（TWPs）的时空分布及地衣移植监测效能研究。沿加拿大多伦多最繁忙高速公路401设置150米样带，暴露2个月采集地衣样本分析TWPs、PTEs和MMPs。结果显示TWPs积累量与距离呈指数衰减（R2=0.98），Sb和MMPs在35米内骤降70%，其他PTEs在150米处下降50%。证实地衣移植可有效监测TWPs，磁 susceptibility与TWPs关联性达0.83，为非排放源追踪提供新方法。

　　

丽莎·格里福尼（Lisa Grifoni）|阿尔多·温克勒（Aldo Winkler）|梅赫里班·贾法罗娃（Mehriban Jafarova）|莉拉·斯帕格努奥洛（Lilla Spagnuolo）|朱利安·阿赫恩（Julian Aherne）|斯特凡诺·洛皮（Stefano Loppi）

意大利锡耶纳大学生命科学系

摘要

道路交通产生的非排放物质，包括轮胎磨损颗粒（TWPs）、潜在有毒元素（PTEs）和磁性金属颗粒（MMPs），已成为城市空气污染的一个新兴组成部分。本研究评估了地衣移植体（Evernia prunastri）作为生物监测工具的适用性，用于监测安大略省多伦多401号高速公路沿线150米范围内的TWPs、PTEs和MMPs。这些地衣在距离高速公路不同距离的位置暴露了两个月，并对其所含的TWPs、PTEs和MMPs进行了分析。结果表明，地衣中TWPs的积累量随距离的增加而呈指数级减少（从超过17,500降至约1,500 TWP g^-1；R²=0.98）。Sb和MMPs的浓度在距离道路35米范围内显著下降（下降了70%），而大多数其他PTEs在150米范围内的浓度下降了50%。TWPs与非排放物质（Sb、Cr和MMPs）之间的强相关性（r值分别为0.69、0.68和0.83）表明这些物质来源于轮胎和刹车的共同磨损过程，这突显了利用磁化率作为快速评估TWPs扩散情况的指标的潜力。

引言

交通排放是大气污染的主要来源，释放出复杂的颗粒物混合物，其中包括磁性金属颗粒（MMPs）、潜在有毒元素（PTEs）和非排放物质。非排放物质主要来自刹车、轮胎、道路表面的侵蚀以及道路灰尘的重新悬浮，对环境构成了严重威胁（Gulia等人，2015年；Boucher和Friot，2017年；Demková等人，2019年）。

近几十年来，道路车辆数量的增加引发了人们对交通繁忙地区空气质量问题的关注，尤其是穿越大都市区的公路。事实上，非排放物质不仅对环境构成威胁，也对人类健康产生影响（Fussell等人，2022年；Amato等人，2014年）。因此，许多研究在城市环境中进行了相关探索，例如在芬兰图尔库，一项研究使用苔藓袋监测了停车-起步交通引起的颗粒物（Limo等人，2018年）；在意大利米兰，使用地衣袋监测了磁性颗粒物（Winkler等人，2020年）；在英国伦敦，研究了非排放物质的来源（Hicks等人，2021年）。

轮胎磨损颗粒是全球颗粒物污染的重要来源，每年排放量估计约为6,000,000吨（Kole等人，2017年）。因此，轮胎磨损是全球颗粒物扩散的主要途径之一（Hartmann等人，2019年）。轮胎通常由天然橡胶和合成橡胶混合制成，并添加了硫、氧化锌等添加剂以及碳黑或二氧化硅等增强剂（Kole等人，2017年）。在靠近主要公路的地区，轮胎磨损颗粒对环境颗粒物的贡献高达93%（Giechaskiel等人，2024年），预计随着电动汽车的使用，这一比例还会增加（Foroutan等人，2025年）。此外，轮胎与道路表面之间的摩擦会产生含有嵌入金属颗粒的复杂颗粒物，这些颗粒主要来自刹车磨损和轮胎内部结构，以及道路表面磨损产生的有机和矿物物质（Panko等人，2018年）。这些过程可形成较大且结构复杂的颗粒聚集体（Dall’Osto等人，2014年）。

利用生物体进行生物监测是一种评估空气污染物水平及其扩散模式的宝贵且可持续的方法（Parmar等人，2016年；Theophilo等人，2021年）。地衣因其独特的生理特性而特别适合这一用途（Conti和Cecchetti，2001年）。地衣移植体的使用，即从远处采集的地衣在研究区域内暴露一段时间，已被广泛认可为缺乏地衣或地衣种类稀少的城市地区的生物监测工具，具有实用性和成本效益优势（Loppi和Paoli，2015年）。果枝状地衣Evernia prunastri（L.）Ach.的移植体已被广泛用于监测交通排放中的MMPs和PTEs（Winkler等人，2020年）。这种方法已成功应用于城市环境中空气颗粒物沉积的生物监测（Grifoni等人，2025a）。

尽管地衣作为大气污染生物监测工具已得到广泛应用，但其在监测轮胎磨损颗粒（TWPs）方面的应用仍较少。以往的生物监测研究主要集中在空气中的微纤维等颗粒物上，对于地衣捕捉和空间分辨道路交通排放的TWPs的能力了解有限，尤其是在靠近主要公路的地区。据我们所知，尚无研究结合使用地衣移植体方法同时监测TWPs、PTEs和MMPs。为填补这些知识空白，本研究评估了E. prunastri移植体作为道路交通排放TWPs生物监测工具的适用性。具体而言，我们研究了安大略省多伦多401号高速公路沿线150米范围内的TWPs空间分布情况，该公路是北美最繁忙的公路，每天通过的车辆数量多达45万辆。然而，此前尚未有研究评估过401号公路颗粒物混合物的大气扩散情况。同时，我们也评估了PTEs和MMPs的积累情况，并将其作为非排放交通相关排放的替代指标。本研究首次基于实地数据评估了地衣移植体在高交通量公路环境中监测空气TWPs的能力，提供了不同距离下TWPs扩散的空间分辨分析。通过综合分析TWPs、PTEs和MMPs，本文对非排放交通排放的组成和扩散模式有了更深入的理解。我们的工作假设是E. prunastri是监测非排放车辆排放TWPs的有效生物指标。

研究区域

本研究在多伦多西部埃托比科克（Etobicoke）的资源路（Resources Road，坐标43.7109, ?79.5476）沿401号高速公路垂直方向进行了150米的监测，时间从2025年6月5日至8月5日（共61天）。2021年，401号公路的日均交通量为424,600辆（安大略省交通部[MTO]，2021年）。然而，在高峰时段，交通拥堵经常导致车辆停滞。

轮胎磨损颗粒

未暴露的地衣中TWPs的含量低于10，可忽略不计。相比之下，暴露在交通中的地衣样本在整个150米范围内都积累了TWPs（表1）。第2个采样点的TWPs数量最多，第1个采样点的TWPs质量最高；第6个采样点的TWPs数量和质量均最低（表1）。

地衣移植体中积累的TWPs质量随距离高速公路的增加而呈指数级减少（图2）。

平均每日TWPs沉积量范围为2,054

讨论

本研究表明，在干燥条件下，地衣E. prunastri适用于生物监测空气中的非排放颗粒物沉积。地衣样本中积累的大量TWPs与401号高速公路上的高车辆流量相符。监测TWPs的一个显著限制是其中含有大量来自轮胎磨损的颗粒。

结论

本研究利用地衣移植体研究了加拿大最繁忙公路上与交通相关的轮胎磨损颗粒（TWPs）、潜在有毒元素（PTEs）和磁性颗粒（MMPs）的存在和分布情况，特别关注了它们的衰减趋势。结果表明，在干燥条件下，地衣移植技术是检测空气中有害污染物的有效工具。在35米范围内观察到了大量的TWPs、PTEs和MMPs。

作者贡献声明

阿尔多·温克勒（Aldo Winkler）：撰写——审稿与编辑、监督、研究设计、资金获取、数据分析、数据管理。丽莎·格里福尼（Lisa Grifoni）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、研究实施、数据分析、数据管理、概念构建。莉拉·斯帕格努奥洛（Lilla Spagnuolo）：研究实施。梅赫里班·贾法罗娃（Mehriban Jafarova）：撰写——审稿与编辑、方法论设计。朱利安·阿赫恩（Julian Aherne）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论设计、资金获取、数据分析、数据管理。

未引用参考文献

Baumann和Ismeier，1998年；Brandt等人，2021年；Hann等人，2018年；Massimi等人，2019年；Pant和Harrison，2013年；Rausch等人，2022年；Stringa Basile等人，2025年；Sz?nyi等人，2008年；Titos等人，2014年；Verma等人，2025年；Yemets等人，2014年；Yousaf等人，2020年；Zhao等人，2019年。

资金支持

本研究部分由INGV的“Pianeta Dinamico”项目（大学与研究部）资助，项目编号2023-2025“CHIOMA”，属于“文化遗产调查与观察：多学科方法”研究方向。LG在特伦特大学期间获得了Globalink研究奖的资助。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢编辑和匿名审稿人在同行评审过程中提供的宝贵意见。此外，作者还要感谢安大略省环境部保护与公园局的Paul Helm博士在确定研究路线方面提供的帮助。