文章信息

第一作者：田乐乐

通讯作者：赵时真 副研究员
通讯单位：中国科学院广州地球化学研究所

https:///10.1021/acs.est.4c04378

亮点

· 阐明了轮胎添加剂在城市大气中的赋存、时空分布和气–粒配分行为，发现气态浓度占比不容忽视。

· 证实了轮胎磨损颗粒对珠江三角洲主要城市PM2.5的贡献>10%，提示机动车非尾气排放对于重点城市大气PM2.5防治的重要性。

研究进展

轮胎磨损颗粒（TWPs）是由于轮胎胎面在道路表面的滚动摩擦而产生，因其大量排放和潜在毒性受到广泛关注。轮胎磨损相关化学品（TWCs）主要指通过轮胎磨损释放的轮胎橡胶添加剂等化合物，已在各环境介质中广泛检出，其中许多被证实具有一定毒性。气-粒配分在污染物的大气环境行为中起关键作用，可影响污染物的干湿沉降、远距离传输和进入人体的途径。然而，TWCs在城市大气中的赋存及其气-粒配分机制仍不清楚。此外，PM2.5是位列全球疾病负担第4位的危险因素，与肺癌、心血管和神经系统等多种健康疾病相关。TWPs作为机动车非尾气排放的重要组成，对城市PM2.5的贡献尚不明晰。本研究在珠江三角洲9个城市采集了72套气态和PM2.5颗粒态样品，对54种TWCs进行定量分析，旨在阐明TWCs在城市大气中的浓度组成、时空分布和气-粒配分行为，并结合特征有机分子标志物进行来源解析，从而量化TWPs对城市大气PM2.5的贡献。
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图1 珠江三角洲九个城市大气中轮胎磨损相关化合物（TWCs）的浓度水平。其中，绿色方框表示气相浓度，橙色方框表示颗粒相浓度。

本研究共分析了54种TWCs目标化合物，其中有28种检出（∑28TWC）。如图1所示，∑28TWC在气态和颗粒态中的总浓度为3.1−317 ng/m3，气态浓度占总浓度的73±26%。不同TWCs化合物的气–粒配分行为差异较大。本研究选择了两种常用的化学品气–粒配分模型（Harner−Bidleman模型和稳态Li−Ma−Yang模型）考察TWCs的气–粒配分行为，发现大多数TWCs的实测气–粒分配系数（logKP）均高于模型预测值（图2）。这意味着许多TWCs在颗粒相上呈现出“超富集”现象，研究推测这是由于部分被包裹的TWCs难于参与气–粒配分过程所致，抑或是由采样误差造成的。
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图2 轮胎磨损相关化合物的气-粒分配系数（log KP）和辛醇-空气分配系数（log KOA）图。图中，红色实线是实测log KP的拟合线。Log KPE（蓝色实线）和log KPS（绿色实线）是分别使用Harner-Bidleman和Li-Ma-Yang模型计算的log KP。Log KPSM=-1.53（水平粉色虚线）是使用稳态Li-Ma-Yang模型计算的log KP最大值。

研究根据珠江三角洲城市大气PM2.5中TWCs的检出率、气-粒配分、对TWPs来源指示的特异性、和正定矩阵因子分解模型（PMF）的拟合度等四个标准，筛选出三种TWCs（苯并噻唑磺酸（BTSA）、二苯胍（DPG）和N-(1,3-二甲基丁基)-N’-苯基对苯二胺-醌（6PPD-Q））作为示踪TWPs来源的标志物，结合PMF模型，定量得到TWPs对城市大气PM2.5的贡献达13%±7%（图3）。该研究还发现TWPs对PM2.5的贡献与采样点5公里半径内的道路长度相关显著（r²=0.67，p<0.01），证实了所筛选的BTSA、DPG和6PPD-Q三个化合物可用于示踪PM2.5中的的轮胎磨损颗粒。
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图3 正定矩阵因子分解模型（PMF）解得的5个PM2.5源谱，柱状图表示化合物占该因子物种总量的百分比，其中红柱表示该因子的高贡献物种，蓝柱表示该因子的低贡献物种。

该研究提示了控制机动车非尾气排放对于重点城市大气PM2.5防治的重要性，近期发表于污染领域TOP期刊Environmental Science & Technology，得到了广东省基础与应用基础研究重大项目（2023B0303000007）、国家自然科学基金面上项目（42473070）、“一带一路”国际科学组织联盟联合研究合作专项项目（ANSO-CR-KP-2021-05）、广东省自然科学基金-杰出青年项目（2023B1515020067）和中国科学院青年创新促进会员项目（2022359）等资助。

作者介绍

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田乐乐，中国科学院广州地球化学研究所博士研究生，研究方向为城市大气中轮胎磨损颗粒物及其添加剂的环境行为和效应。以第一作者在Environ Sci Technol发表论文2篇。

通讯邮箱：tianlele17@mails.ucas.ac.cn

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赵时真，博士，中国科学院广州地球化学研究所副研究员。主要从事大气新污染物的环境命运和效应研究。曾获广东省杰出青年基金资助，入选广东省“珠江人才-海外青年人才引进计划”、中国科学院青年创新促进会会员。主持各类科研项目十余项，已发表学术论文60余篇，其中有8篇一作/通讯论文发表于Environmental Science & Technology，3篇被遴选为当期副封面文章，参与撰写专著《持久性有机污染物的地球化学》。

通讯邮箱：zhaoshizhen@gig.ac.cn

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张干，博士，现任中国科学院广州地球化学研究所研究员、有机地球化学国家重点实验室主任。本科和硕士期间在南京大学地质系就读，于中国科学院广州地球化学研究所获有机地球化学博士学位。学科方向为环境有机地球化学。近期主要研究方向：（1）环境14C同位素技术与应用；（2）地球表层系统碳动态；（3）有机污染物的环境命运；（4）天体有机地球化学 等。在Nat Comm、PNAS、ES&T、JGR等学术期刊发表论文500余篇；论文被SCI引用>27,000余次，h指数为86（Web of Science），连年入选Elsevier环境科学领域中国高被引科学家（2014-2023)。现任《地球化学》、Carbon Research副主编，《地球与环境》、《生态毒理学报》、Emerging Contaminants等学术期刊编委。曾承担国家杰出青年基金项目，获国务院政府特殊津贴、广东省“丁颖科技奖”（2012）、广东特支计划杰出人才（“南粤百杰”，2016）等荣誉。科研成果获国家自然科学二等奖（2006；R2）、广东省自然科学一等奖（2004，R3；2013，R2）。

通讯邮箱：zhanggan@gig.ac.cn