摘要
轮胎磨损颗粒（tire wear particle，TWP）是一种特殊的微塑料（microplastic, MP），主要由轮胎与道路摩擦产生，在土壤中广泛存在。由于 TWP 携带着多种有害化学物质, 如多环芳烃，重金属、苯并噻唑等，对生物及土壤生态系统构成较大威胁。因此，土壤中 TWP 的环境行为及其毒性效应受到了科研人员的重点关注。蚯蚓是环境中最常见的土壤动物之一，在维持土壤生态系统的功能中扮演着重要的角色。据报道，蚯蚓可以摄入土壤中的 TWP，从而影响它们的健康。然而，大多数关于蚯蚓摄食 TWP 的研究都是在室内环境或受到限制的外部条件下进行的，这使得我们对蚯蚓在真实环境中对 TWP 的摄入情况仍不清楚。此外，在以往的研究中通常使用市售的 TWP 产品来研究 TWP 的毒性，这可能无法反映环境中老化 TWP 的毒性效应。据报道，光老化会显著改变 TWP 物理化学特性，导致有害化学物质的浸出和聚合物的分解。同时， TWP 在光老化过程中会生成新环境风险物质，如持久性自由基，这一类新型污染物质的产生可能会加重 TWP 的环境风险。然而，光老化 TWP 对蚯蚓的毒性效应和致毒机制还知之甚少。 基于此，本论文调查了道路旁土壤中 TWP 对蚯蚓的暴露特征；进一步分析了TWP 在光老化前后潜在致毒因子的变化，结合老化前后 TWP 对蚯蚓的生物毒性差异，阐释光老化 TWP 对蚯蚓的潜在致毒机制。得到了如下研究结果： （1）通过显微镜结合拉曼光谱的鉴定方法，发现道路旁土壤样品中 MP 的平均浓度为 697 items/kg，其中 TWP 占所有 MP 颗粒的 59.9%。通过冗余分析探究了道路旁土壤中 MP 产生的预测因素，包括人类活动和空间特征。结果表明，TWP 主要沉积在距离道路更近，道路中重型车辆较多的土壤表层。而非轮胎 MP 则分布于附近居住人口较为密集的道路土壤中。蚯蚓粪中 MP 的平均丰度为 825 items/kg。同时，蚯蚓粪与道路旁土壤中 MP 的丰度和特征具有相似性，表明土壤中大部分 MP 能够被蚯蚓所摄入。同时，借助非度量多维尺度分析工具，我们发现由于蚯蚓腐食性的进食策略，蚯蚓倾向摄入道路旁土壤枯枝落叶层中的 MP ，从而间接增加了对土壤表层中TWP 的生物利用性。 （2）通过室内模拟研究了 TWP 在光老化前后的形态特征、添加剂浸出，以及自由基生成的变化。结果表明，光老化处理后虽然增加了 TWP 的含氧官能团（氧碳比从 0.28 增加到 0.32）以及亲水性（水接触角从 154o 降至 136o），但并没有导致 TWP的开裂和纳米颗粒物的形成。TWP 的浸出物分析发现，TWP 中的多种有机物特别是抗氧化剂（如 2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酮）在光老化后减少了。这种现象归因于紫外线的照射下，TWP 表面有机添加剂的氧化或降解。其次 TWP 中的多种重金属，特别是 Zn，在光老化后浸出浓度显著增加。此外，光老化使 TWP 中的环境持久性自由基从3.69×1017增加到 5.20×1017 spin/g，并进一步诱导活性氧的生成（增加 281%）。考虑到 TWP 光老化后潜在致毒因子的显著差异，进一步使用蚯蚓验证 TWP 光老化后的毒性变化。毒性结果表明，光老化 TWP 超过 1% 的浓度时引起蚯蚓毒性终点的显著变化，即与原始 TWP 相比，体重减轻量从 0.0425 增加到 0.0756 g/worm，死亡率从23.3% 增加到 50%，表明 TWP 在光老化后对蚯蚓的生长和存活造成显著的不良影响。 （3）通过分析转录组学及生化指标，研究了光老化 TWP 对蚯蚓的毒性效应。对暴露后的蚯蚓进行转录组分析的结果显示，光老化 TWP 显著富集了与脂质及抗氧化剂相关的代谢通路（Plt;0.05），表明光老化 TWP 诱导更严重的氧化应激反应。氧化应激的生物标志物结果显示光老化 TWP 抑制了蚯蚓的抗氧化酶系统，特别是过氧化物酶被显著抑制了 44%。同时，光老化 TWP 显著增加了体内的活性氧水平（增加 2-3倍）以及脂质过氧化水平（增加 9-18 倍）。结合组织病理学的观察结果，进一步确认了光老化 TWP 的毒性增强主要是由于对蚯蚓抗氧化防御系统的破坏而引起的氧化损伤。通过结合光老化 TWP 的理化结果，进一步探究了光老化 TWP 的致毒机制。自由基猝灭和相关性分析表明，环境持久性自由基诱导的体外活性氧的过量产生导致了抗氧化防御系统的衰竭，从而最终造成了蚯蚓体重减轻和死亡的不良后果。 综上，本研究揭示了道路旁土壤中轮胎磨损颗粒对蚯蚓的暴露特征，并且深入探讨了光老化 TWP 对蚯蚓的毒性效应，所获得的结果为土壤环境中 TWP 的污染控制和生态风险评估提供数据支撑和理论依据。
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