在紫外线照射下，轮胎磨损颗粒上环境持久性自由基的演变：相对湿度和臭氧浓度的作用

《Environmental Pollution》：Evolution of Environmentally Persistent Free Radicals on Tire Wear Particles under UV Irradiation: Contributions of Relative Humidity and Ozone Concentration

轮胎磨损颗粒（TWPs）携带的环境持久自由基（EPFRs）受湿度与臭氧协同调控，低湿度促进光氧化链反应导致EPFRs显著积累（p<0.01），高湿度因水分子光散射效应抑制积累（p<0.05）；臭氧浓度升高加速EPFRs生成，涉及臭氧降解产物与光激发的Norrish反应。研究揭示了气候变暖背景下湿度与臭氧浓度对TWPs生态风险的关键影响机制。

　　这项研究聚焦于轮胎磨损颗粒（TWPs）在大气中经历光氧化作用时所携带的环境持久自由基（EPFRs）的变化机制。TWPs作为大气颗粒物的重要组成部分，不仅影响空气质量，还可能对生态环境和人类健康构成潜在威胁。EPFRs作为一种具有长期稳定性和反应活性的自由基，其生成和积累过程与多种环境因素密切相关，包括相对湿度和臭氧浓度。通过系统分析TWPs在不同相对湿度和臭氧暴露条件下的光氧化演变，研究揭示了EPFRs在大气中的动态变化及其影响因素，为评估不同气象条件下TWPs对生态环境的潜在危害提供了科学依据。

TWPs主要来源于轮胎在使用过程中与路面的摩擦作用，其粒径范围通常在30至1000微米之间。这些颗粒因其体积小、密度低、降解性差等特点，能够广泛分布于各种环境介质中，如道路尘埃、沉积物、土壤以及空气中的颗粒物（PM）。TWPs在大气中的浓度变化受到多种因素的影响，包括地理位置、气候条件、交通流量以及工业活动等。例如，某些城市道路尘埃中TWPs的浓度可达0.5克/千克，而PM10中的浓度则在0.05至0.70微克/立方米之间。此外，随着新能源汽车的普及，TWPs的排放量可能进一步增加，因为这类车辆通常比传统内燃机汽车更重，导致轮胎磨损加剧。

EPFRs是TWPs表面在光氧化过程中生成的一种特殊类型的自由基，其化学性质稳定，能够在大气中长期存在并参与多种化学反应。这些自由基的存在不仅影响TWPs的氧化程度，还可能改变其对生态环境和人体健康的潜在危害。已有研究表明，TWPs在光照射下会发生氧化反应，导致其表面生成EPFRs。这种反应通常与轮胎材料中的有机化合物、过渡金属以及光敏物质有关。在光氧化过程中，EPFRs的生成与积累受到多种环境参数的影响，如相对湿度、臭氧浓度、光照强度以及反应时间等。

相对湿度对EPFRs的生成和积累具有显著影响。在低相对湿度条件下，光子的持续吸收能够促进聚合物链的激发，从而加速光氧化反应，导致EPFRs的快速积累。这种现象可能与水分的缺乏有关，因为低湿度环境减少了水分子对光子的散射效应，使得更多的光能能够直接作用于TWPs表面，从而引发更强烈的氧化反应。相反，在高相对湿度条件下，水分子的光散射效应会削弱光子对TWPs的照射，进而抑制EPFRs的生成和积累。此外，高湿度环境可能通过其他机制影响EPFRs的稳定性，例如促进某些化学反应的水解过程，从而降低EPFRs的浓度。

臭氧浓度同样对EPFRs的生成和演变产生重要影响。研究发现，在臭氧氛围中进行光老化处理，TWPs表面EPFRs的积累速度显著加快，且其浓度与臭氧浓度呈正相关。这一现象表明，臭氧可能在某些条件下促进EPFRs的生成，而并非完全抑制其形成。臭氧对EPFRs的作用机制可能涉及两个方面：一方面，臭氧本身可以作为氧化剂，参与TWPs表面的氧化反应，促进EPFRs的生成；另一方面，臭氧可能通过与其他物质的相互作用，改变TWPs的化学结构，从而影响EPFRs的形成路径。例如，臭氧与轮胎材料中的某些有机化合物发生反应，生成中间产物，这些中间产物在光照射下可能进一步发生Norrish反应，从而产生更多的EPFRs。

研究还指出，EPFRs的形成不仅依赖于TWPs本身的化学组成，还受到周围大气环境的影响。在光氧化过程中，TWPs表面的化学反应链可能因臭氧的存在而发生改变，导致EPFRs的生成路径多样化。这种多样性使得EPFRs的浓度变化更加复杂，难以仅通过单一因素进行预测。因此，了解TWPs在不同环境条件下的光氧化行为，对于评估其对生态环境和人类健康的潜在影响至关重要。

全球变暖背景下，气候条件的变化可能进一步加剧TWPs对环境的影响。随着全球气温的上升，大气中的相对湿度和臭氧浓度可能会发生变化，进而影响EPFRs的生成和积累。例如，高温可能导致大气中臭氧的生成增加，而湿度的变化则可能改变光子对TWPs的照射效果。这些变化可能会改变TWPs在大气中的分布模式，进而影响其对环境和人体健康的潜在危害。因此，研究TWPs在不同气象条件下的光氧化行为，有助于更准确地预测其在不同地区的环境影响。

此外，研究还强调了TWPs在不同地理区域中的环境风险差异。由于不同地区的气候条件、大气污染物浓度以及交通状况存在显著差异，TWPs在这些区域中的光氧化行为和EPFRs的生成可能有所不同。例如，在高湿度地区，EPFRs的积累可能受到抑制，而在臭氧浓度较高的地区，EPFRs的生成可能更加活跃。这些差异表明，评估TWPs的环境风险不能简单地采用统一的标准，而需要结合具体的气候和污染条件进行分析。

在实际应用中，理解TWPs在大气中的光氧化行为对于制定有效的环境管理和健康防护措施具有重要意义。例如，在高臭氧污染的地区，可能需要采取更严格的排放控制措施，以减少TWPs的生成和其携带的EPFRs对环境的影响。而在高湿度地区，可能需要关注TWPs在潮湿环境下的化学稳定性，以及其对生态系统的影响。此外，研究还表明，TWPs的光氧化过程可能对空气质量产生间接影响，例如通过改变颗粒物的化学组成和反应活性，进而影响大气中的氧化还原反应和污染物转化过程。

综上所述，这项研究通过系统分析TWPs在不同环境条件下的光氧化行为，揭示了EPFRs的生成和积累机制，为评估TWPs的环境风险提供了新的视角。研究结果表明，相对湿度和臭氧浓度是影响EPFRs演变的关键因素，而这些因素在不同气候条件下可能产生不同的影响。因此，在全球变暖和气候变化的背景下，进一步研究TWPs的光氧化行为及其对环境和健康的潜在影响，对于制定科学的环境政策和健康防护措施具有重要意义。