溫度作為PM2.5輪胎添加劑污染的主要驅動因素：季節性變化及氣候對2-羥基苯并噻唑濃度的升高影響
《Environmental Research》：Temperature as a Key Driver of PM
2.5 Tire Additive Pollution: Seasonal Variability and Climate-Driven Elevation of 2-hydroxybenzothiazole
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時間：2026年02月28日
來源：Environmental Research 7.7
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本研究首次對韓國大邱市74份PM2.5樣本進行長期定性定量分析，發現輪胎添加劑苯并噻唑及其衍生物、六亞甲基四胺及其氧化產物在環境中普遍存在，其中2-羥基苯并噻唑（OTH）夏季濃度顯著升高并與氣溫正相關（R2=0.69），其致癌風險超過美國環保署基準值3.72×10?3，提示需加強監測與風險評估。
Oh Seungjun|Kim Kanghee|Park Chang-Boem|Kim Sunghwan
韓國慶北國立大學化學系，大邱，41566
摘要
車輛使用過程中產生的輪胎和道路磨損顆粒（TRWPs）是細顆粒物（PM2.5）的一個新興的非排放源。由于PM2.5的空氣動力學直徑小且表面積大，它可以有效地攜帶來自輪胎配方的有機添加劑，包括苯并噻唑（BTHs）和取代的對苯二胺（PPDs），以及它們的轉化產物。盡管韓國的車輛擁有量持續增加，但關于這些輪胎衍生添加劑在環境中的長期特征分析尚未有相關報道。在這里，我們在2024年10月至2025年7月期間收集了74個PM2.5樣本，并進行了迄今為止首次針對韓國城市空氣中輪胎添加劑的長期定性和定量分析，并進行了初步的吸入風險評估。共鑒定出9種添加劑，其中4種化合物（苯并噻唑、2-羥基苯并噻唑、N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-p-苯二胺、2-苯胺基-5-(4-甲基戊-2-基氨基)-1,4-苯醌）被定量檢測到。這些化合物的檢出率很高，有3種在100%的樣本中被檢測到，1種在96%的樣本中被檢測到，濃度范圍從個位數pg/m3到幾百pg/m3不等。其中，2-羥基苯并噻唑（OTH）與每日最高溫度呈正相關（R2 = 0.69），表明其對季節性條件敏感，這表明氣候變暖可能會增加其在大氣中的負荷。風險評估顯示其非致癌風險較低（HQ和RCR），但OTH的估計致癌風險（CR = 3.72 × 10-3）遠高于美國環保署的基準值（1 × 10-6），因此需要進一步評估。這些發現為在交通和氣候變化壓力不斷增加的背景下監測和監管輪胎添加劑排放提供了依據。
引言
快速的城市化和對汽車的日益依賴大大增加了環境中輪胎和道路磨損顆粒（TRWPs）的生成。非排放交通排放物（如TRWPs）越來越被認為是細顆粒物（PM2.5的主要來源，尤其是在車輛注冊量增加和道路表面狀況惡化的城市地區（Penka?a等人，2018年；Stocker和Carruthers，2007年）。這些顆粒不僅在輪胎與道路接觸時產生，還在制動、滑動和道路表面磨損過程中產生，這使得它們的組成和排放動態比排放物更為復雜（Kim和Lee，2018年）。
PM2.5具有獨特的物理化學性質，使其在環境和毒理學上具有重要意義。由于其空氣動力學直徑小（< 2.5 μm）和較大的比表面積，PM2.5可以吸附多種有機污染物，在大氣中懸浮數天，并進行長距離傳輸（Roth等人，2005年）。此外，其高表面積比為半揮發性有機化合物提供了廣泛的反應表面，從而促進大氣中吸附污染物的光化學或異質反應（Park等人，2025年；Son等人，2023年；Xu等人，2020年）。當吸入時，PM2.5會深入人體肺部的肺泡區域，并可能進入血液，引發氧化應激、炎癥和全身性效應（Valacchi等人，2020年；S. Wang等人，2022年；Xing等人，2016年）。流行病學證據表明，長期暴露于環境中的PM2.5與乳腺癌風險增加有關，推測機制涉及與交通相關的多環芳烴（PAH）暴露、PAH-DNA加合物的形成以及DNA甲基化的改變（Mordukhovich等人，2016年；White等人，2024年）。雖然PM2.5因其對人類健康的影響而廣為人知，但最近的研究表明，輪胎磨損相關的排放物在總PM2.5質量中所占的比例相對較小（Panko等人，2019年）。然而，僅依賴質量指標可能會低估輪胎衍生PM2.5的健康影響，因為即使是很小的質量貢獻也可能作為化學活性和有毒添加劑的有效載體。這突顯了在考慮顆粒物質量的同時，還需要考慮化學成分和轉化過程的重要性。因此，PM2.5中存在的有毒輪胎添加劑代表了這些化學物質的固有毒性以及顆粒物的高暴露潛力。同時，輪胎來源的PM2.5含有各種輪胎衍生添加劑，如取代的對苯二胺（PPDs）、苯并噻唑（BTHs）及其氧化產物（Tian等人，2024年；Zhao等人，2023年）。這些添加劑在氣相和細顆粒物（PM2.5）之間分配，而PM2.5能夠有效地攜帶半揮發性有機化合物（Tian等人，2024年）。
在這些添加劑中，N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-p-苯二胺（6PPD）被廣泛用作抗臭氧劑，以保護橡膠免受氧化降解。其轉化產物2-苯胺基-5-(4-甲基戊-2-基氨基)-1,4-苯醌（6PPDQ）最近被確定為Oncorhynchus kisutch（銀鮭）城市徑流死亡綜合征的致病化合物（Li等人，2024年；Tian等人，2021年）。除了水生環境外，6PPDQ還在室內外PM2.5中被檢測到，表明大氣暴露是人體接觸的新興途徑（Zhang等人，2022年）。包括6PPDQ在內的醌類轉化產物是氧化活性物質，可以增強PM2.5的氧化潛力，誘導人體肺細胞的細胞毒性和炎癥反應（Hyman等人，2025年；Lyu等人，2018年）。基于苯并噻唑的添加劑是另一類主要的輪胎相關化合物。苯并噻唑（BTH）及其羥基化衍生物2-羥基苯并噻唑（OTH）被用作硫化促進劑，并經常在城市和工業地區的大氣和灰塵樣本中被檢測到（Liao等人，2018年；Wang等人，2013年）。人類生物監測研究在暴露人群的尿液樣本中檢測到了苯并噻唑，幾種轉化產物與癌癥風險增加和甲狀腺激素紊亂有關（Asimakopoulos等人，2013年；Hornung等人，2015年）。此外，OTH還被報道會對斑馬魚胚胎和哺乳動物干細胞造成發育和生殖毒性，即使在低暴露水平下也會引起擔憂（Hyman等人，2025年；Liao等人，2021年）。
盡管國際上越來越多的研究報道了PM2.5中的輪胎添加劑，但來自韓國的長期綜合數據集仍然很少（Liao等人，2021年；Nunez等人，2020年；W. Wang等人，2022年；Zhang等人，2022年）。在韓國，快速的車輛更替、密集的城市道路網絡和明顯的季節性變化為研究輪胎添加劑在環境中的分配和轉化提供了獨特的條件。以往的研究主要集中在輪胎橡膠顆粒本身，關于長期空氣暴露和季節變化的信息有限（Lee等人，2020年；Youn等人，2021年）。此外，氣象參數（溫度、濕度、臭氧）對這些添加劑在環境中的轉化和分配的影響尚未得到充分關注。了解氣象因素如何影響輪胎添加劑的吸附、解吸和氧化轉化對于評估其在大氣中的持久性和人類暴露潛力至關重要。
為了填補這一空白，我們在韓國大邱進行了為期10個月的連續PM2.5監測。基于之前的定性篩選，選擇了四種代表性的輪胎相關化合物（BTH、OTH、6PPD、6PPDQ）作為定量目標，使用液相色譜-軌道阱質譜（LC-Orbitrap-MS）進行檢測。定量分析使用LC-MS/MS和GC-MS/MS進行。本研究的目的是（i）表征這些輪胎添加劑在PM2.5中的時間和季節性趨勢，（ii）評估它們與氣象因素的相關性，（iii）通過吸入評估潛在的人類健康風險。通過生成環境中的輪胎添加劑濃度的長期數據集，并將其與氣象因素相關聯，本研究為針對韓國城市環境的暴露建模和風險管理策略提供了基礎。此類數據有望為非排放排放的監管框架和針對輪胎磨損及相關有機添加劑的緩解方法的發展提供信息。
章節片段
化學物質
用于提取的甲醇（MeOH）購自J.T. Baker（美國新澤西州菲利普斯堡）。二氯甲烷（DCM）和己烷購自Honeywell（美國北卡羅來納州夏洛特）。BTH、OTH、6PPD和6PPDQ的分析標準品購自Alfa Chemical（中國鄭州）。作為內標物的萘-d8購自Sigma-Aldrich（美國密蘇里州圣路易斯）。
PM2.5中輪胎衍生化合物的定性和定量檢測
為了識別環境中的輪胎添加劑，使用GC–TQ和LC-Orbitrap–MS進行了定性篩選。化合物的鑒定參考了先前報道的輪胎添加劑數據庫（Zhang等人，2023年）。觀察到的化合物列在表1中。如表1所總結的，通過LC–Orbitrap-MS鑒定出9種輪胎相關添加劑，其中兩種（BTH和OTH）通過GC–TQ得到了進一步確認。檢測到的化合物涵蓋了多種功能添加劑類別。
結論
本研究是韓國首次對PM2.5中的輪胎衍生添加劑進行定性和長期定量分析，包括毒性評估。分析了2024年10月至2025年7月在大邱收集的74個PM2.5樣本中的BTH、OTH、6PPD和6PPDQ，發現所有化合物的檢出頻率都很高。其中，OTH在夏季顯著增加，并與溫度（R2 = 0.69，p < 0.01）和臭氧呈正相關
CRediT作者貢獻聲明
Seungjun Oh：撰寫——原始草稿、可視化、驗證、軟件、方法論、調查、正式分析、概念化。Chang-Boem Park：撰寫——原始草稿、方法論、正式分析。Kanghee Kim：撰寫——原始草稿、方法論、正式分析。Sunghwan Kim：撰寫——審閱與編輯、驗證、監督、項目管理、方法論、資金獲取、概念化
未引用的參考文獻
S等人，2001年；Wang等人，2022年。
利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了韓國國家研究基金會（NRF）通過基礎科學研究計劃的支持，該計劃由教育部資助（授權號RS-2024-00464699）。
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