紫外线老化的微塑料对农业生态的影响：轮胎磨损颗粒通过浓度-老化相互作用影响小麦生长和土壤健康的机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：UV-Aged Microplastic Agricultural Ecological Risk: Mechanisms of Tire Wear Particles Affecting Wheat Growth and Soil Health through Concentration-Aging Interactions

轮胎磨损颗粒（TWPs）对小麦生长及土壤特性的影响呈现浓度和老化协同作用：低浓度（125 mg/kg） pristine TWPs显著抑制发芽和催化酶活性，高浓度（875 mg/kg）则部分缓解毒性，紫外线老化TWPs（A-TWPs）通过表面氧化（羰基指数0.82）和粒径减小（82.9→34.9 μm）显著降低氧化损伤，促进小麦发芽及土壤有机质（SOM）和阳离子交换容量（CEC）提升，揭示TWPs毒性存在非单调剂量效应，提出老化TWPs可能通过改善土壤环境缓解植物毒性。

　　

李坤|李伟毅|彭永红|陈漳角|叶子东

南京信息科技大学环境科学与工程学院，中国南京210044

摘要

轮胎磨损颗粒（TWPs）作为微塑料（MPs）污染的重要组成部分，对农业生态系统构成了潜在威胁，但其浓度与老化过程的相互作用机制尚不明确。本研究通过盆栽实验，探讨了原始状态（P-TWPs）和经紫外线老化处理后的（A-TWPs）在浓度为0、125和875毫克/千克时对小麦生长和土壤性质的影响。结果表明，紫外线老化使TWPs的平均粒径从82.9微米减小到34.9微米，并使羰基指数从0.33升高到0.82。低浓度的P-TWPs（125毫克/千克）显著抑制了小麦的发芽和过氧化氢酶活性，而高浓度的P-TWPs（875毫克/千克）则部分缓解了这种毒性。A-TWPs进一步恢复了小麦的发芽能力并增加了植株高度。老化后的TWPs通过增加土壤有机质和阳离子交换能力改善了根际环境，同时协同增强了超氧化物歧化酶活性并减少了氧化损伤。研究表明，TWPs对小麦的毒性呈现非单调模式：低浓度时抑制生长，高浓度时部分恢复，老化后毒性减弱，表面氧化和粒径减小是降低毒性的关键机制。这些发现揭示了TWPs表面性质变化如何影响作物生长，强调了研究其在土壤-植物系统中的长期命运及其通过食物链传播的潜在风险。

引言

轮胎磨损颗粒（TWPs）是微塑料污染的主要来源，主要由车辆行驶过程中轮胎与路面之间的摩擦磨损产生[1]。全球每年产生的TWPs数量惊人，例如欧盟每年产生约132.7万吨，美国产生112万吨。这些颗粒通过大气沉降、地表径流和农业中的污泥施用等方式广泛分布于土壤、水体和大气中[2][3]。这些过程促进了TWPs从道路边缘向邻近农业区域的迁移。据模型估计，约5%的TWPs最终进入欧洲和中国的农业土壤，高速公路附近的农田容易受到TWPs通过灰尘和灌溉的污染[4][5]。TWPs主要由合成橡胶（如丁腈橡胶、聚丁二烯橡胶）和添加剂（如炭黑、氧化锌）组成。由于其持久性、高比表面积和潜在毒性，TWPs对环境的影响日益受到全球关注[6][7]。值得注意的是，TWPs倾向于在道路边缘积累，并通过农业活动进入农业生态系统，对作物生长和土壤健康构成威胁[8]。

TWPs对土壤生态系统的影响主要表现在改变土壤的物理化学性质和生物活性上[9]。研究表明，TWPs的输入会降低土壤的容重和持水能力，破坏孔隙结构，从而影响水分和养分的输送[10]。同时，TWPs释放的重金属（如锌）和多环芳烃（PAHs）等污染物可能抑制土壤微生物活性，干扰氮和磷循环等关键生态过程[11]。对于植物而言，接触TWPs可能导致氧化应激，影响种子发芽和幼苗生长。例如，较高浓度的TWPs（≥0.25毫克/千克或毫克/升）在15或30天的暴露下会显著抑制菠菜（Spinacia oleracea L.）的生物量、叶面积、光合特性和生长参数，并降低抗氧化酶活性[12]。此外，高浓度（5.0%重量百分比）的TWPs（30天暴露）会抑制小麦（Triticum aestivum L.）的发芽和根长，增加MDA含量并降低CAT活性，表现出强烈的毒性[13]。老化过程（如紫外线辐射）可以改变TWPs的表面性质，如减小粒径和增加含氧功能团，从而改变其环境行为和生物利用度[14][15]。然而，关于老化TWPs在农田土壤中长期生态影响（从发芽到抽薹阶段共150天）对小麦等作物的影响的研究尚不足，这对该领域的综合研究提出了迫切需求。

鉴于TWPs在农业土壤中的累积风险及其老化过程的重要性，本研究旨在通过盆栽实验系统地探讨原始状态TWPs（P-TWPs）和紫外线老化TWPs（A-TWPs）对小麦生长和土壤物理化学性质的影响。选择的TWPs浓度（0、125和875毫克/千克，相当于0–0.0875重量百分比）代表了从背景水平到农田土壤潜在长期积累情况的实际梯度，这一范围得到了野外测量和建模研究的支持[4][16]。研究重点分析了关键参数的影响，包括小麦发芽指数、生长特性、抗氧化酶活性、土壤有机质（SOM）和阳离子交换能力（CEC），以阐明浓度与老化效应之间的相互作用机制。研究结果将为评估TWPs的生态风险和制定农业领域微塑料污染防控策略提供理论基础。

实验部分

TWPs的制备与表征

本实验使用的TWPs来自米其林PS3（235/45 R17）轮胎的胎面。根据我们之前的研究，轮胎胎面橡胶首先采用液氮冷冻粉碎法处理，然后通过100目筛网（150微米）进行筛分[17]。通过离心沉淀收集粒径在5-150微米范围内的颗粒，并将其定义为原始状态TWPs（P-TWPs）。为了制备老化TWPs（A-TWPs），将P-TWPs均匀铺展在培养皿中（厚度<2毫米）

紫外线老化对TWPs的影响：表面、组成和粒径

扫描电子显微镜（SEM）显示，原始状态TWPs（P-TWPs）表面较为光滑，形态不规则（图1a），而老化后的TWPs（A-TWPs）表面变得粗糙多孔，含有更多的细小碎片（图1b）。粒径分布分析证实老化过程中发生了显著破碎：P-TWPs的粒径分布呈单峰分布，中心位于70-90微米，平均粒径为82.9 ± 6.8微米（图1c），而A-TWPs的粒径分布峰值发生了偏移

结论

本研究通过阐明浓度与老化过程之间的关键相互作用，为理解农业系统中轮胎磨损颗粒（TWPs）的影响提供了基础性进展。我们的主要发现表明，TWPs的毒性呈现非单调模式：在125毫克/千克浓度下抑制生长，而在875毫克/千克浓度下部分恢复，这挑战了微塑料在农业生态系统中的传统线性剂量-反应假设。此外，我们还证明了紫外线老化改变了TWPs的性质

作者贡献声明

彭永红：撰写初稿。陈漳角：实验研究。叶子东：实验监督。李坤：资金获取。李伟毅：撰写与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（项目编号42577447、42307488）的支持。