6PPD与6PPD-醌在斑马鱼肠-肝轴上的比较毒性研究：对微生物群失调和氧化应激的启示

《Aquatic Toxicology》：Comparative Toxicity of 6PPD and 6PPD-quinone on the Gut-Liver Axis in Zebrafish: Insights into Microbiota Dysbiosis and Oxidative Stress

该研究通过斑马鱼模型系统评估了轮胎抗氧化剂6PPD及其降解产物6PPDQ对肝肠轴的毒性作用。结果显示两者均引发剂量依赖性肝损伤，但6PPDQ在肠道炎症反应（NF-κB p65表达上调）和菌群结构改变（Bacteroidetes/Proteobacteria丰度显著变化）上更具毒性。生化检测表明氧化应激是主要毒性机制，且6PPDQ对免疫相关通路影响更显著。研究证实两者通过肝肠轴协同作用引发多器官毒性，强调需将转化产物纳入轮胎污染物风险评估体系。

　　

梁立鹏|王浩|蔡璐宁|梁嘉欣|牛晓军|宋晓菲

华南理工大学环境与能源学院，广州，510006，中国

摘要

轮胎橡胶抗氧化剂6PPD及其有毒转化产物6PPD-醌（6PPDQ）的普遍存在对水生生态系统构成了新的风险。本研究评估了环境相关浓度下的6PPD和6PPDQ对成年斑马鱼（Danio rerio）的肝脏毒性和肠道毒性，特别关注了肠道-肝脏轴。组织病理学分析显示，这两种化合物均引起了剂量依赖性的肝脏损伤，表现为肝细胞空泡化和核变性；值得注意的是，6PPDQ引起的组织损伤在某些方面与母体化合物相似。生化检测证实氧化应激是毒性的关键机制，表现为丙二醛（MDA）水平升高（最多增加62.2%）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性升高（最多增加257.1%），同时超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性降低（分别降低15.2%和25.3%）。在肠道中，暴露导致屏障完整性受损并引发炎症，表现为绒毛结构损伤和NF-κB p65表达上调。16S rRNA测序揭示了不同的菌群失调模式：6PPD暴露减少了厚壁菌门的丰度并增加了变形菌门的丰度，而6PPDQ显著改变了拟杆菌门和变形菌门的丰度。功能预测分析表明，6PPDQ可能特异性地损害免疫相关途径，同时增强能量代谢。总体而言，这些发现表明6PPD和6PPDQ通过肠道-肝脏轴引起多器官毒性，其中转化产物6PPDQ具有独特的生态风险特征。本研究强调了在轮胎衍生污染物的风险评估中纳入转化产物的必要性。

引言

全球机动车数量持续快速增长，这一趋势直接推动了轮胎制造业的扩张。目前，年轮胎产量约为24亿个（Babaei等人，2024年）。为了提高轮胎的耐用性和抗老化性能，一种名为

(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-p-苯二胺（简称6PPD）的抗氧化剂被广泛添加到橡胶配方中，通常占总质量的0.4%至2%。在轮胎使用过程中，与路面的持续摩擦导致6PPD以细颗粒形式释放到环境中（Jiang等人，2024a）。当6PPD暴露于大气臭氧时，会氧化成高毒性的6PPD-醌（6PPDQ）（Fang等人，2023a）。这一转化过程产生的6PPDQ占原始6PPD释放量的1%至75%（Chen等人，2023年；Zhao等人，2023年），具体比例取决于臭氧浓度和温度等环境因素。此外，由轮胎磨损产生的颗粒物以及溶解的可溶性成分（尤其是6PPDQ）通过雨水径流和道路径流进入水生生态系统（Meland等人，2023年；Seiwert等人，2022年）。这种传输机制导致6PPD和6PPDQ在全球水体中频繁被检测到（Mitchell和Jayakaran，2024年；Prosser等人，2023年）。多项环境监测提供了实证数据：例如，旧金山湾区的城市径流样本中6PPD的最大浓度为19微克/升（μg/L），而6PPDQ的最大浓度达到6.1 μg/L（Tian等人，2021年）；在挪威Bod?的隧道冲洗水中，6PPDQ的浓度峰值达到27 μg/L（Klockner等人，2021年）；在澳大利亚布里斯班的城区支流中，检测到的6PPDQ浓度高达88 ng/L（Cao等人，2023年；Rauert等人，2022年）。此外，中国南方城市的监测数据显示6PPD的最大浓度为7.52 ng/L，而6PPDQ的最高浓度高达1562 ng/L（Cao等人，2022年）。这些数据清楚地表明了这些污染物在水生环境中的全球分布及其浓度的显著差异。鉴于6PPD和6PPDQ在水生生态系统中的广泛存在及其潜在的生态毒性，进行针对性的水生环境健康风险评估以系统评估它们对水生生物群落和人类健康的长期影响至关重要。

近年来，环境毒理学研究广泛记录了6PPDQ（N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-p-苯二胺醌）在水生生态系统中的暴露可对鲑鱼种群产生高度急性的生态毒性效应（Tian等人，2021年）。这一现象引起了全球科学界的广泛关注，并推动了众多跨学科研究。多项实验明确表明，当水生环境中6PPDQ的浓度接近或超过其24小时半数致死浓度（LC₅₀值95 ng/L）时，银鲑（Oncorhynchus kisutch）种群会出现大规模急性死亡（Liao等人，2024年）。这表明即使在极低浓度下，该污染物也存在显著的生态风险。然而，针对四种代表性淡水鱼类和甲壳类物种的急性暴露测试的比较研究表明，无论是6PPD还是其转化产物6PPDQ均未表现出致死效应（Foldvik等人，2022年；Gao等人，2025年；Hiki等人，2021年；Hiki和Yamamoto，2022年）。进一步分析实验数据发现，在这四种测试物种中，有三种对6PPD的反应比对6PPDQ的反应更为强烈，表明母体化合物在某些物种中可能具有更强的生物活性（Brinkmann等人，2022年；Foldvik等人，2022年）。这些综合结果表明，6PPD和6PPDQ表现出明显的物种特异性毒性特征。因此，在评估它们的环境健康风险时，必须考虑不同物种的生理和代谢特性，避免基于单一模型物种得出的结论进行外推。

在环境毒理学研究中，斑马鱼（Danio rerio）是一种高度标准化的模式生物，广泛用于评估水生生态系统中污染物的毒性效应。与鲑鱼等物种相比，斑马鱼对各种环境污染物（包括6PPD和6PPDQ）具有更强的耐受性。这一特性使斑马鱼成为研究长期低浓度污染物暴露的理想模型。后续科学研究进一步证实，6PPD和6PPDQ可以在斑马鱼体内显著积累（Prosser等人，2023年）。即使在短期急性暴露条件下，它们也会引发一系列健康问题，如胚胎发育畸形（Varshney等人，2022年）、神经功能障碍（Peng等人，2022年）和心血管疾病如心律不齐（Fang等人，2023a；Jiang等人，2024b）。最近的研究表明，这些污染物还会在斑马鱼的肠道和肝脏组织中引起强烈的氧化应激（Hiki和Yamamoto，2022年；Varshney等人，2024年）和脂质过氧化（Brinkmann等人，2022年；Prosser等人，2023年）。这导致细胞代谢紊乱和线粒体功能受损，最终造成器官组织损伤和病理变化（Gao等人，2025年）。现有研究表明，某些环境污染物通过干扰肝脏或肠道中的炎症反应途径或代谢调节途径发挥其毒性作用（Jiang等人，2024b）。几项近期研究全面回顾了6PPDQ在水生环境中的生态毒性效应（Wang等人，2025a），报告了氧化应激、微生物组反应和肝脏毒性——如肝脏脂质代谢紊乱——在包括鱼类和青蛙在内的多种水生物种中的情况（Liu等人，2024年）。然而，尽管有许多独立研究考察了6PPD和6PPDQ对斑马鱼肠道或肝脏的单独器官毒性，但通过肝肠轴整合这些器官的系统性毒性分析仍然很少。这存在一个明显的科学空白：如果不整合这些相互关联的途径，6PPD和6PPDQ的毒性机制就显得像是平行的、孤立的终点，而不是一个连贯的、系统的反应。肝肠相互作用的分子机制也尚未得到充分阐明。此外，多项研究表明，肝肠轴在非酒精性脂肪肝病（NAFLD）的病理进展中起着关键作用。肠道菌群失调已被证明会显著增加外源性毒素引起的肝脏损伤，形成一个恶性循环（Friedman等人，2018年）。因此，深入研究6PPD和6PPDQ对成年斑马鱼模型中肝-肠轴的组织病理学和分子水平改变的具体效应，系统探索它们的信号通路调节或微生物组相互作用机制，并比较这两种污染物之间的相对毒性差异，具有重要的科学意义和潜在的环境健康应用价值。

在本研究中，我们将成年斑马鱼暴露于环境相关浓度的6PPD和6PPDQ，以评估它们的相对毒性。我们采用了组织病理学、生化酶检测和16S rRNA基因测序相结合的方法来表征肝脏和肠道组织的损伤。主要目的是确定6PPDQ是否比其母体化合物6PPD对这些器官具有更强的毒性效应，并探讨相关的氧化应激标志物和肠道微生物组成的变化。这些结果为轮胎磨损颗粒在水生环境中的风险评估提供了基础数据。

章节片段

化学物质和试剂

N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-p-苯二胺醌（6PPD）（CAS：793-24-8，纯度：≥98.0%）和N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-p-苯二胺醌（6PPDQ）（CAS：2754428-185，纯度：≥98.0%）购自安普（上海，中国）。二甲基亚砜（DMSO，纯度：>99.9%）购自阿拉丁（上海，中国）。6PPD和6PPDQ均溶解在DMSO中，制备浓度为2 mg/ml的储备溶液，然后储存在-20°C。

斑马鱼饲养

六个月大的野生型AB

6PPD和6PPDQ的暴露浓度

在任何斑马鱼组中均未观察到死亡。记录的参数包括温度、pH值、电导率和溶解氧，分别为27.1至27.9°C、7.5至7.8、6.5至6.8 μS/cm、4.87至6.38 mg/L（文本S4）。对照组暴露溶液中未检测到6PPD或6PPDQ。暴露溶液中6PPD和6PPDQ的浓度相对于设定浓度范围为96.4%至112.6%（文本S5）。6PPD和

讨论

在快速工业化和城市化的背景下，橡胶产品的大规模生产和应用导致其化学衍生物持续释放到水生生态系统中（Gaggini等人，2024年）。其中，6PPD及其环境氧化产物6PPDQ作为代表性污染物引起了重大的环境和健康问题。虽然已有几项研究调查了6PPD和6PPDQ对模型生物的毒性效应

结论

本研究使用成年斑马鱼（Danio rerio）作为模型生物，将其系统暴露于环境相关浓度的6PPD和6PPDQ，分别为5 μg/L和50 μg/L，持续7天。目的是全面评估这些污染物对斑马鱼肝脏和肠道组织的急性健康影响。结果表明，6PPD和6PPDQ的急性暴露显著引起了肝脏损伤，并伴随明显的氧化

作者贡献声明

梁立鹏：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件使用，资源获取，方法学，研究设计，概念化。王浩：撰写——审稿与编辑。蔡璐宁：研究。梁嘉欣：研究。牛晓军：监督，资金获取，概念化。宋晓菲：监督，资金获取，概念化。

CRediT作者贡献声明

梁立鹏：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件使用，资源获取，方法学，研究设计，概念化。王浩：撰写——审稿与编辑，概念化。蔡璐宁：研究。梁嘉欣：研究。牛晓军：监督，资金获取，概念化。宋晓菲：监督，概念化。