背景介绍：微塑料是环境中的一大负担，主要来源于塑料垃圾的破碎和降解。全球已生产超过83亿吨塑料，其中约60%被丢弃，导致大量微塑料进入生态系统。P.scaber是一种广泛分布的土壤分解者，以腐烂的树叶和木材为食，对土壤生态系统有重要影响。它们的肠道微生物组在营养循环和免疫功能中起着关键作用。研究人员将P.scaber暴露于含有不同浓度（2.5%和5%）的PLA、PET和PS微塑料的食物中，持续8周。同时设置了不含微塑料的对照组。通过高通量测序技术分析了肠道微生物组的16S rRNA基因和16S rRNA，以评估微塑料对微生物群落结构和活性的影响。使用微传感器技术（unisense微电极剖面分析系统）测量了肠道中的氢气浓度，以评估微塑料对肠道发酵过程的影响。同时监测了等足类动物的生存率、体重变化和运动行为，以评估微塑料对它们健康的影响。微塑料摄入对P.scaber的健康影响有限，但显著改变了肠道微生物组的结构和功能，进而影响肠道发酵过程。PLA摄入促进了肠道微生物的生长和活性，而PET和PS则可能抑制了微生物的发酵功能。P.scaber的肠道是一个重要的氢气排放源，其排放量可能对全球氢气循环有显著贡献。这项研究揭示了微塑料对土壤生态系统中关键分解者的潜在影响，强调了等足类动物在土壤生态系统中的重要作用，尤其是在氢气排放方面。


Unisense微电极测定系统的应用


Unisense微电极被用于测量陆生等足类动物Porcellio scaber肠道中的氧气、氢气和pH浓度分布。研究人员使用了定制的微电极，用于测量氧气、氢气和pH。这些微电极的尖端直径小于20微米，能够精确地测量肠道内的微小区域。首先将等足类动物的肠道嵌入1%低熔点琼脂糖中，并在昆虫Ringer溶液中固定。使用盖玻片和显微镜载玻片构建测量室，确保肠道在测量过程中保持稳定。在肠道的前部（距离前端1 mm）、中部和后部（距离后端1 mm）分别进行测量。每个位置的测量分辨率为50微米。使用SensorTrace PRO软件控制微电极的移动并记录数据。每个处理组的3个肠道样本在三个位置（前部、中部和后部）分别进行测量，总共分析了9个样本。


实验结果


微塑料摄入对P.scaber的生存率和体重增长没有显著影响，但等足类动物表现出对PS食物的回避行为。PLA处理组的肠道微生物活性显著增加，表现为16S rRNA基因和16S rRNA的丰度增加。微塑料处理组的肠道微生物群落结构发生了显著变化，尤其是PLA处理组的肠道微生物群落与对照组更为相似，而PET和PS处理组的微生物群落则表现出不同的特征。PLA处理组的肠道中发现了多个指示物种，如Chryseobacterium、Devosia等，这些物种可能与PLA的降解有关。PLA处理组的肠道氢气浓度最高，而PET和PS处理组的氢气浓度较低。这表明PLA的摄入可能促进了肠道中的发酵过程，而PET和PS可能抑制了发酵。整个等足类动物的氢气排放量在10小时内平均为0.83±0.51 ng氢气/个体。假设全球有20%的陆地生态系统被P.scaber占据，其密度为每平方米75个个体，那么P.scaber对全球氢气排放的贡献约为0.6–2.6×10^7 kg/年，与稻田的氢气排放量相当。

图1、等足类胃部的代表性氢气径向分布图。实验中，等足类喂食了不含微塑料颗粒的食物（对照组；A）或5%的聚乳酸（PLA）（B）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）（C）或聚苯乙烯（PS）（D）食物，经过6天后进行胃部提取、琼脂嵌入和微传感器测量。每个胃部的剖面从前部、中部和后部记录。对每个处理的两个胃部进行了分析。

图2、等足类在空气中培养10小时后头部空间的氢气积累。数值表示三次重复实验的均值，每个小瓶中包含三只等足类，分析是在收集后直接进行的，未经过微塑料暴露实验。虚线表示氢气混合比的线性回归。绘制了三次重复实验的均值和标准误差。回归方程和斜率的标准误差显示在回归线附近。氢气排放速率为10.3±6.3 nmol H2（每克等足类新鲜重量）每小时。

图3、微塑料（MP）摄入对等足类胃部和食物中细菌16S rRNA基因和16S rRNA丰度的影响。来自对照组或2.5%MP（条纹）或5%MP（无图案）食物颗粒暴露的等足类胃部的核酸提取物（A–C）直接用于基因定量（A，D）。每个提取物的一个子样本经过DNase处理并进行逆转录，用于16S rRNA分析（B，E）。此外计算了16S rRNA与16S rRNA基因的比值（C，F）。

图4、活性细菌肠道群落的贝塔多样性。主坐标分析图基于Aitchison距离矩阵，来源于16S rRNA基因和16S rRNA的分析。每个图的PERMANOVA结果已给出。箭头表示与样本分离高度相关的扩增子序列变体（ASVs），按家族和属/种水平（如果适用）进行分类。PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯；PLA，聚乳酸；PS，聚苯乙烯。

图5、足类动物P.scaber肠道嵌入琼脂糖中。肠道轮廓的前、中、后位置被标出（A）。图片是在肠道中部进行径向微传感器测量时拍摄的，显示了通过肠道中心的径向微传感器测量过程。在示意图的横截面中，微传感器距离设置为0微米的肠道中心也被标出（B）。


结论与展望


微塑料（MP）是一个环境负担，通过大型动物的摄食进入食物链，包括陆地生态系统中的等足类动物（Porcellio scaber）。等足类是普遍丰富、生态上重要的分解食腐动物。然而MP聚合物对宿主及其肠道微生物群的特定影响尚不清楚。研究人员测试了可生物降解（聚乳酸[PLA]）和不可生物降解（聚对苯二甲酸乙二醇酯[PET]；聚苯乙烯[PS]）的MP对P.scaber的对比影响，介导这一影响的是肠道微生物群的变化。本论文主要是研究微塑料（MP）摄入对陆生等足类动物Porcellio scaber（一种木虱）肠道中的氢气产生和微生物组的影响。研究通过实验设计，探讨了可生物降解（聚乳酸，PLA）和不可生物降解（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET；聚苯乙烯，PS）微塑料对P.scaber的健康、肠道微生物群落以及发酵潜力的影响。本研究旨在调查常规不可生物降解的MP颗粒、PET和PS以及可生物降解的PLA对P.scaber在肠道适应性、肠道微生物群和发酵潜力方面的影响，其基本假设是可生物降解和不可生物降解的MPs对P.scaber具有相反的影响由相关肠道微生物群的变化介导。Unisense微电极在本研究中提供了高精度的氧气、氢气和pH测量数据，帮助研究人员揭示了微塑料摄入对等足类动物肠道内部环境的影响。这些数据对于理解微塑料如何通过改变肠道微生物群落结构和功能来影响等足类动物的发酵过程具有重要意义。此外还分析了食物微生物群以研究其对肠道微生物群的影响。