电化学-氧化双重作用解析湖水中老化轮胎磨损颗粒对生物膜反硝化过程的急性影响机制

针对轮胎磨损颗粒(TWPs)对水生氮循环的潜在影响机制不明问题，研究人员通过对比滚动摩擦(R-TWPs)、滑动摩擦(S-TWPs)和低温破碎(C-TWPs)三种生成方式及其湖水泥老化产物，发现老化TWPs表面环境持久性自由基(EPFRs)和电子交换容量(EEC)显著提升，但硝酸盐去除率与电子转移能力(r=0.928–0.957)呈正相关而与羟基自由基(·OH)呈负相关，揭示了TWPs通过光电化学特性调控城市水体氮循环的双重作用，为微塑料污染评估提供了新视角。

　　

在城市水生态系统中，轮胎磨损颗粒（Tire Wear Particles, TWPs）正成为日益严重的微塑料污染源。这些由轮胎与路面摩擦产生的微小颗粒，每年仅欧盟就排放132.7万吨，中国更是高达39.5万吨，占微塑料污染的53.91%。它们不仅携带重金属和有机添加剂，更在环境老化过程中形成具有光化学活性的表面特性。然而，这些颗粒如何影响水生氮循环的关键过程——尤其是生物膜介导的反硝化作用——仍是一个未解之谜。更复杂的是，不同生成方式（滚动、滑动或低温破碎）导致的TWPs理化性质差异，以及湖水泥老化带来的表面改性，可能产生截然不同的生态效应。

为解开这个谜团，获得国家自然科学基金（42307488）支持的研究团队开展了一项开创性工作。他们系统研究了三种典型TWPs（R-TWPs、S-TWPs、C-TWPs）及其老化产物对附生生物膜反硝化功能的影响，发现TWPs在光照条件下能作为"电子穿梭体"调控氮循环，但其作用受表面活性组分与环境自由基的协同支配。这项发表于《Environmental Pollution》的研究，首次揭示了TWPs光电化学特性与水生氮循环的复杂互作机制。

研究采用多尺度表征技术：通过扫描电镜(SEM)观察TWPs表面形貌演变，X射线光电子能谱(XPS)分析元素组成变化，电子顺磁共振(EPR)检测环境持久性自由基(EPFRs)，并建立电子交换容量(EEC)定量模型。生物实验采用真实河道采集的附生生物膜，在1.0–50.0 mg L^?1 TWPs暴露体系中，结合qPCR定量反硝化功能基因（nirK、nirS）和16S rRNA测序解析微生物群落。光化学反应实验通过羟基自由基(·OH)淬灭实验，验证了电子转移与硝酸盐还原的定量关系。

【表面微观结构】电镜显示老化后TWPs表面发生显著重塑：滚动和低温破碎生成的AR/AC-TWPs被无机离子和有机涂层覆盖，而滑动生成的AS-TWPs则形成多孔结构促进微生物定植。这种差异源于生成时摩擦热导致表面黏度变化。

【光电化学特性】老化使所有TWPs的电子交换容量(EEC)提升1.8-3.2倍，EPFRs浓度增加2-4个数量级。值得注意的是，滑动生成的S-TWPs因其高温衍生的表面改性，表现出最高的EPFRs生成潜力。

【生物膜响应】令人意外的是，TWPs暴露未呈现剂量依赖性效应——无论新鲜或老化TWPs，均未显著改变硝酸盐去除率、反硝化基因丰度或微生物群落结构。方差分解表明EPFRs促进反硝化（贡献度0.16），而·OH则起抑制作用（贡献度-0.18）。

【光驱动机制】在光照条件下，TWPs展现出"双刃剑"特性：其表面碳黑和氧化锌(ZnO)等组分作为电子穿梭体，将光生电子传递给反硝化菌（EEC与硝酸盐去除率r=0.928–0.957）；但同时产生的·OH又会破坏微生物电子传递链。这种矛盾作用解释了TWPs对氮循环的非线性影响。

该研究突破性地揭示了TWPs通过"电化学-氧化双重作用"调控水生氮循环的机制：一方面，老化过程增强的表面活性组分（如EPFRs、氧化还原官能团）促进电子转移；另一方面，光激发产生的活性氧物种又抑制微生物活性。这种协同拮抗效应导致TWPs在1.0–50.0 mg L^?1浓度范围内呈现"无效剂量响应"的独特现象。研究不仅为微塑料生态风险评估提供了光电化学参数新指标，更警示城市水体管理需综合考虑TWPs的光化学活性与氧化应激效应。特别是滑动摩擦生成的TWPs因其高EPFRs产率，可能需要作为优先管控对象。这些发现为制定针对轮胎衍生微塑料的精准治理策略奠定了科学基础。