光老化诱导的轮胎磨损颗粒对番茄（Solanum lycopersicum L.）的植物毒性：氧化胁迫、代谢重编程及微生物群落变化的证据

《Environmental Pollution》：Photoaging-Induced Phytotoxicity of Tire Wear Particles on Tomato ( Solanum lycopersicum L.): Evidence from Oxidative Stress, Metabolic Reprogramming, and Microbial Shifts

　　

摘要

轮胎磨损颗粒（TWPs）经历复杂的光老化过程，这会显著改变其物理化学性质，并增强其环境行为和生态效应。然而，光老化 TWPs 的粒径和暴露浓度对植物生长和根际微生物群落的联合效应仍未得到充分表征。在本研究中，使用两种粒径（100 和 200 μm）以两种浓度（0.1% 和 1%，w/w）施用的紫外老化 TWPs 进行了一项为期 30 天的番茄种植实验。结果显示了明显的取决于粒径和浓度的植物毒性。最高浓度的 100 μm TWPs（1%，w/w）引起了最显著的抑制效应，使地上部生物量减少 77.1%，净同化率减少 62.1%，同时使丙二醛（MDA）含量增加 72%。紫外光老化改变了 TWPs 的表面形态、化学成分和亲水性，促进了重金属的淋溶。此外，紫外老化 TWPs 扰乱了土壤养分循环和酶活性，触发了番茄广泛代谢重编程，特别是在碳代谢和 TCA 循环中，并降低了根际细菌和真菌多样性，使微生物群落向更具胁迫耐受性的分类群转变。综合分析表明，紫外老化 TWPs 的植物毒性与氧化应激、代谢紊乱、土壤功能受损和微生物群落变化有关。这些发现增进了对紫外老化 TWPs 毒性的理解，并强调了将粒径和老化状态纳入环境风险评估的必要性。

引言

轮胎磨损颗粒（TWPs）是微塑料的重要类别，由车辆轮胎与路面之间的摩擦产生（Zhang 等，2023）。据估计，全球 TWPs 的年排放量达到约 590 万吨，这些颗粒难以降解，并在包括空气、土壤、地表水和沉积物在内的环境区室中积累（Baensch-Baltruschat 等，2021; Kole 等，2017）。大多数 TWPs 最终沉积到土壤环境中，使土壤成为 TWPs 的主要长期汇。然而，关于它们对土壤生态系统影响的研究仍然有限。迄今为止，只有少数研究考察了 TWPs 对土壤微生物的毒性（Halle 等，2020; Kim 等，2021; Sommer 等，2018; Wang 等，2024）。因此，老化 TWPs 在土壤中构成的潜在生态风险仍然知之甚少，阻碍了有效的环境风险评估和管理。

一旦进入环境，TWPs 会经历复杂的物理化学和生物降解。老化会改变 TWPs 的组成和结构特征，包括表面性质、粒径的变化以及相关有机添加剂和金属的释放（Cai 等，2018; Wagner 等，2022）。在各种环境因素中，紫外（UV）辐射在 TWPs 老化中起关键作用，通过断裂聚合物链和促进添加剂释放，从而可能增强其毒性（He 等，2023; Liu 等，2022; Lv 等，2024; Wang 等，2020）。已证明紫外辐射可以降低 TWPs 的平均粒径并增加添加剂的淋溶（Chen 等，2024; Xie 等，2022）。尽管一些研究探讨了 TWPs 对土壤 - 植物系统的影响（Iqbal 等，2026; Zeb 等，2024），但老化过程（如紫外风化）对 TWPs 毒性及其对陆地生态系统后果的影响尚未完全解决。关于紫外驱动的不同粒径 TWPs 老化如何改变其表面性质，以及光老化 TWPs 在土壤 - 植物系统中与原生颗粒相比是否表现出取决于粒径和浓度的毒性，仍存在着关键的知识空白。

我们之前的研究表明，原生 TWPs 以取决于粒径和剂量的方式抑制番茄生长，诱导氧化应激，耗竭土壤养分并抑制关键酶活性（Iqbal 等，2026）。鉴于紫外老化是主要的环境转化途径（Zeb 等，2026），紫外老化 TWPs 在自然环境中广泛存在。这一过程进一步减小了粒径并增强了化学添加剂的淋溶，增加了对土壤健康以及如 Eisenia fetida 等生物的毒性（Zhu 等，2022）。因此，考虑粒径和浓度来调查紫外老化 TWPs 的植物毒性至关重要，特别是关于它们对作物植物和根际微生物组的影响，这仍然知之甚少。

番茄（Solanum lycopersicum L.）是全球重要的蔬菜作物，兼具营养和经济价值。尽管番茄植物通常不直接种植在主要道路旁边，但来自道路交通的 TWPs 可以从其排放源运输，随后通过大气沉降、雨水径流、灌溉和土壤内的再分配进入农业环境（Zhu 等，2023）。一旦纳入农业土壤，这些颗粒可能与土壤基质和根际相互作用，并潜在地变得可供根系暴露。因此，TWPs 对作物的潜在风险不一定局限于直接的道路旁边接触，也可能通过农业系统中的土壤介导暴露产生（Zhu 等，2023）。因此，我们假设紫外老化会加剧 TWPs 对番茄植物的植物毒性，并对根际微生物群落和土壤功能造成更大的破坏。我们进一步假设这些效应将取决于粒径和浓度，较小、光老化的 TWPs 在高浓度下由于其增加的表面反应性、添加剂淋溶潜力和生物利用度，将产生最严重的影响。为了验证这些假设，本研究旨在：(1) 评估紫外老化如何调节 TWPs 的生态风险；(2) 阐明粒径和浓度对植物毒性的联合效应；(3) 采用将 TWPs 表征与多水平生物反应联系起来的综合方法；(4) 将根际微生物群落结构的转变与观察到的植物毒性效应相关联。这些发现将增进对 TWPs 环境归趋和风险的1 理解，为将老化状态、粒径和浓度纳入农业系统中 TWP 污染的环境风险评估和管理提供科学依据。

章节摘要

土壤和 TWPs 制备

土壤样本取自中国天津市宁河区（36°21′18″N, 114°23′09″E）农田的表面层（0-20 cm）。土壤的物理化学特性见文本 S1。收集的土壤样本经过风干、均质化，并通过 2 mm 尼龙筛网筛分。

在本研究中，TWPs 获得自一个轮胎回收厂。首先，使用轮胎回收机将轮胎破碎成约 300 mm 大小的块。随后，这些块被

光老化过程中 TWPs 物理化学性质的变化

光老化引起了轮胎磨损颗粒（TWPs）表面性质的显著且依赖于粒径的变化，为其环境行为的改变提供了物理化学基础（图 1）。SEM 图像显示，原生 TWPs 表现出致密且相对光滑的表面，而经过 30 天紫外照射的颗粒显示出粗糙且碎裂的形态（图 1A），这与以前报告中光诱导的表面老化一致（Ziajahromi 等，2023

结论

在本研究中，番茄植物生长受到紫外老化轮胎磨损颗粒（TWPs）的显著影响。具体来说，老化 TWPs 引起了取决于粒径和浓度的植物毒性，高浓度 100 μm TWPs（H100）对番茄生长、光合作用性能和代谢稳态产生了最严重的抑制效应，同时还扰乱了土壤养分循环、酶活性和根际微生物群落结构。紫外光老化显著改变了 TWPs

CRediT 作者贡献声明

Abdul Mateen Baig: 写作 – 审查与编辑。Hifza Iqba: 写作 – 原稿，可视化，方法学，形式分析，数据整理，概念化。Sheharyar Khan: 形式分析。Aurang Zeb: 形式分析，数据整理。Xinwei Shi: 形式分析。Weitao Liu: 写作 – 审查与编辑，监督，项目管理，形式分析，概念化。Sabir Hussain: 调查。Zhineng Wu: 写作 – 审查与编辑。Jinpeng Liu: 调查

未引用参考文献

Jiang 等，2023; Mayer 等，; Wang 等，2023; Ye 等，2025。

备注

本文不包含任何作者进行的人类参与者或动物研究。作者声明没有竞争性的经济利益。

生成式 AI 使用声明

在准备本工作期间，作者使用了 DeepSeek 以润色语言。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这可能会被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

这项工作得到了 国家自然科学基金（32571890）和 河北省自然科学基金（B2024202024）的支持。

Hifza Iqbal|Abdul Mateen Baig|Xinwei Shi|Ruiying Shi|Aurang Zeb|Sheharyar Khan|Jinpeng Liu|Zhineng Wu|Sabir Hussain|Weitao Liu

教育部污染过程与环境标准重点实验室，南开大学环境科学与工程学院，中国天津 300350