日本人工水体中轮胎磨损颗粒与道路磨损颗粒的识别

轮胎和道路磨损颗粒（TRWPs）在东京四大都市区人工水体中的分布特征及老化程度研究表明，TRWPs浓度介于291.2至489.9颗粒/升，空间异质性显著，Sorakuen浓度最高，Tsurami最低。显微分析、SEM-EDX及拉曼光谱显示TRWPs存在新鲜与老化状态差异，人工水体兼具污染积聚与迁移的双重功能。

金冷康|程硕|斯内哈尔·瓦斯尼克|张浩歌|杰弗里·S·克罗斯

日本东京理研科学研究所环境与社会学院跨学科科学与工程系

摘要

轮胎和道路磨损颗粒（TRWPs）是城市环境中微塑料污染的主要来源。尽管相关研究主要集中在自然水系，但日本的人工城市水体由于具有较高的污染物积累潜力，却仍未得到充分研究。本研究使用显微镜、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）和拉曼光谱技术，对日本四个主要地区（近畿、中部、北九州/福冈和札幌）的人工水体中的TRWPs进行了详细评估。TRWPs具有独特的形态特征、元素组成（锌、硫、硅和碳）以及拉曼光谱特征，包括炭黑和丁苯橡胶（SBR）的标记物。定量分析显示，TRWPs的浓度存在空间差异，范围从291.2到489.9颗粒/升。其中，Sorakuen地区的浓度最高（489.9颗粒/升），而Tsurami地区的浓度最低（291.2颗粒/升）。来自Tsuruma（名古屋）和Maizuru（福冈）的样本的拉曼光谱表明这些TRWPs较为新鲜，而来自Shonai（名古屋）和Maruyama（京都）的样本则显示出明显的风化迹象。扫描电子显微镜成像进一步证实了这些发现，特别是在交通繁忙的区域，表面发生了严重的降解。这些人工水体既充当半封闭的生态栖息地，也可能成为TRWPs的积累场所，长时间的滞留会促进颗粒的积累和转化。虽然研究结果表明这类环境能够容纳大量的TRWPs，但仍需要进一步的比较研究来评估它们在更广泛的城市水系中的相对作用。

引言

自20世纪50年代塑料工业化以来，由于其轻便、柔韧和耐用等优异特性，塑料产量迅速增加（Kumar等人，2025a）。这一增长导致了塑料废物的持续积累，据估计每年有480万至1270万吨塑料进入海洋（Jambeck等人，2015；Zhao等人，2018）。因此，直径小于5毫米的微塑料（MPs）已成为主要的环境威胁，已在多种生态系统中被发现，包括山地湖泊（Luo等人，2024）、河流（Kumar等人，2025c）、地下水（Esfandiari等人，2022），甚至饮用水（Bäuerlein等人，2022）。不同水体的微塑料浓度差异很大，据报道平均浓度范围从0到6000颗粒/升（Qiang等人，2021；Abinandan等人，2023）。

历史上，弹性材料的发展早于塑料工业的兴起。天然橡胶（NR）如丁苯橡胶（SBR）和丁二烯橡胶（BR）的开发与塑料工业的增长密切相关。如今，卡车轮胎通常含有较高比例的NR，而乘用车轮胎则主要由SBR和BR混合物构成，这两种橡胶具有不同的降解和风化特性（Goβmann等人，2021；Järlskog等人，2022）。尽管近年来人们对环境问题的关注度有所提高，但轮胎磨损颗粒对环境的影响最早是由汽车和轮胎行业在20世纪70年代初开始研究的（Cardina，1973，1974；Dannis，1974；Pierson和Brachaczek，1974），后续研究扩展了对排放量和颗粒特性的分析。新的证据表明，环境中超过一半的微塑料可能来源于轮胎磨损。这些颗粒被称为轮胎和道路磨损颗粒（TRWPs），逐渐被认定为一种独特且重要的微塑料类型。

TRWPs具有三个关键特征：（1）它们由硫化橡胶（如丁苯橡胶）等合成聚合物组成；（2）颗粒尺寸较小，通常小于5毫米，符合微塑料的定义；（3）由于交联橡胶材料的化学稳定性，它们在环境中具有持久性（Goβmann等人，2021；Luo等人，2021；Järlskog等人，2022）。这些颗粒通过轮胎与路面之间的机械摩擦形成，在实验室条件下大约由50%的聚合物和10%至50%的矿物碎片组成（Kreider等人，2010；Sommer等人，2018）。然而，在实际环境中，尤其是亚微米颗粒（<1微米），聚合物比例通常低于10%，甚至可能低于1%，这归因于大气稀释、颗粒破碎和环境降解（Rødland等人，2022）。较小的颗粒（<10微米）可以进入空气中，而较大的颗粒则通过风和径流被输送到附近的水体，最终进入海洋（Adeogun等人，2020）。TRWPs由合成橡胶、天然橡胶、炭黑、二氧化硅、锌化合物和各种添加剂组成，具有复杂的化学结构，其中含有重金属和多环芳烃（PAHs），因此具有毒性风险（Wagner等人，2018）。

大多数先前的研究集中在大型自然水体（如河流、湖泊和海洋）中TRWPs的识别和定量分析。例如，有一项研究使用密度分离、光学成像、扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM/EDX）映射和傅里叶变换红外（FTIR）光谱等先进技术分析了城市河流环境中的TRWPs。从法国鲁昂附近的塞纳河收集的样本显示，城市下游区域的TRWPs浓度较高（沉积物中含量为930毫克/千克），平均颗粒尺寸分别为133微米（数量）和171微米（体积）（Kovochich等人，2023）。此外，还有研究对大阪湾和淀川等自然水体中的TRWPs浓度进行了广泛采样。一项研究使用热解气相色谱/质谱（Py-GC/MS）和颗粒锌方法分析了大阪湾九个地点的表层水和沉积物，发现靠近城市入口处（如淀川口）的TRWPs浓度较高（Barber等人，2025）。另一项在淀川-琵琶湖流域进行的研究发现，土地利用和人口密度显著影响了TRWPs的浓度（Unice等人，2013）。

TRWPs在河流、湖泊和沿海地区等自然水环境中已被广泛研究，但它们在人工城市水体（如公园池塘、排水沟和蓄水池）中的存在情况仍知之甚少。这一知识空白在日本尤为突出，因为日本人口密集、车辆使用频繁且道路基础设施发达，导致大量TRWPs的排放（Din等人，2022）。日本的城市中还有许多位于道路和居民区附近的人工水体。这些水体通常是半封闭的，水体交换有限，有利于TRWPs的积累。同时，它们也可能起到动态调节作用，例如通过将TRWPs捕获在沉积物中减少其下游传输，或通过沉积作用捕获空气中的颗粒。

理解TRWPs作为汇和潜在来源的双重作用至关重要，因为已知它们会释放锌（Zn）、PAHs和[2-苯胺基-5-((4-苯胺基-1,4-苯醌-2-基)氨基)环己-2,5-二烯-1,4-二酮]（6PPD-醌）等有毒化合物，这些物质会对水生生物造成负面影响，并可能对人体健康构成风险（Baensch-Baltruschat等人，2020；McIntyre等人，2021；Zhao等人，2024；Kumar等人，2025b）。这些水体常位于公园和居民区等公共场所，进一步引发了通过皮肤接触、吸入或食物链传播的潜在暴露风险。

为了解决这些问题，本研究调查了日本四个主要大都市地区（近畿、中部、北九州/福冈和札幌）的小型人工水体（池塘和运河）中TRWPs的存在和特征。采样地点的选择基于水文特征、可达性和与城市基础设施的接近程度。系统地收集水样并检测TRWPs的存在。疑似颗粒通过多种分析方法进行确认和表征，包括场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、拉曼光谱和能量色散X射线光谱（EDX）。这些分析为日本城市水体中TRWPs的存在提供了基础数据，并揭示了人工水体如何同时作为TRWPs的汇和将其重新分配到城市环境中的潜在来源。

样本采集

样本采集工作于2024年11月1日至2025年2月28日期间，在日本的四个主要大都市地区进行：近畿（京都、大阪和神户）、中部（名古屋）、北九州/福冈和札幌（北海道）。这些地点的选择旨在代表全国范围内的地理和气候条件。研究仅关注人工建造和维护的水体，包括公园水体

理化分析

对日本各地（包括北海道、神户、京都、大阪、名古屋和福冈）收集的所有水样进行了全面的理化分析。测量的关键水质参数包括pH值、电导率、COD、TN、PO₄³⁻和TDS，结果见表1。所有采样点的pH值范围为8.34至10.00，属于中等到强碱性条件。这些结果与之前的研究结果一致

结论

本研究明确证明了TRWPs在日本的人工城市水体中广泛存在。通过结合显微镜、SEM-EDX和拉曼光谱的综合方法，所有采样点均检测到了TRWPs，其特征包括独特的形态、元素标记（锌、硫、硅、碳）以及聚合物特征（如炭黑和SBR）。TRWPs的浓度范围为291.2至489.9颗粒/升，其中Sorakuen地区的浓度最高，

作者贡献声明

金冷康：撰写——初稿、可视化、研究设计、数据分析、概念构建。程硕：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。斯内哈尔·瓦斯尼克：撰写——审稿与编辑。张浩歌：撰写——审稿与编辑。杰弗里·S·克罗斯：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本研究的过程中，使用了ChatGPT（OpenAI，GPT-5版本）和Grammarly来辅助语言润色、提高可读性和文本结构组织。“科学结构优化”仅指改进逻辑流畅性和章节布局。这些工具仅用于提升写作表达效果，未生成、修改或解释任何科学数据、结果或结论。所有内容均

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关联：程硕表示获得了ESPEC全球环境研究和技术基金会（慈善信托）的财政支持。本研究得到了ESPEC全球环境研究和技术基金会（慈善信托）的慷慨资助

致谢

本研究得到了ESPEC全球环境研究和技术基金会（慈善信托）的慷慨支持。作者衷心感谢菊地亮平提供的宝贵支持，以及他在东京理研科学研究所材料分析部门提供的关键分析设施的使用权限。