背景介紹：微塑料是環(huán)境中的一大負擔，主要來(lái)源于塑料垃圾的破碎和降解。全球已生產(chǎn)超過(guò)83億噸塑料，其中約60%被丟棄，導致大量微塑料進(jìn)入生態(tài)系統。P.scaber是一種廣泛分布的土壤分解者，以腐爛的樹(shù)葉和木材為食，對土壤生態(tài)系統有重要影響。它們的腸道微生物組在營(yíng)養循環(huán)和免疫功能中起著(zhù)關(guān)鍵作用。研究人員將P.scaber暴露于含有不同濃度（2.5%和5%）的PLA、PET和PS微塑料的食物中，持續8周。同時(shí)設置了不含微塑料的對照組。通過(guò)高通量測序技術(shù)分析了腸道微生物組的16S rRNA基因和16S rRNA，以評估微塑料對微生物群落結構和活性的影響。使用微傳感器技術(shù)（unisense微電極剖面分析系統）測量了腸道中的氫氣濃度，以評估微塑料對腸道發(fā)酵過(guò)程的影響。同時(shí)監測了等足類(lèi)動(dòng)物的生存率、體重變化和運動(dòng)行為，以評估微塑料對它們健康的影響。微塑料攝入對P.scaber的健康影響有限，但顯著(zhù)改變了腸道微生物組的結構和功能，進(jìn)而影響腸道發(fā)酵過(guò)程。PLA攝入促進(jìn)了腸道微生物的生長(cháng)和活性，而PET和PS則可能抑制了微生物的發(fā)酵功能。P.scaber的腸道是一個(gè)重要的氫氣排放源，其排放量可能對全球氫氣循環(huán)有顯著(zhù)貢獻。這項研究揭示了微塑料對土壤生態(tài)系統中關(guān)鍵分解者的潛在影響，強調了等足類(lèi)動(dòng)物在土壤生態(tài)系統中的重要作用，尤其是在氫氣排放方面。

Unisense微電極測定系統的應用

Unisense微電極被用于測量陸生等足類(lèi)動(dòng)物Porcellio scaber腸道中的氧氣、氫氣和pH濃度分布。研究人員使用了定制的微電極，用于測量氧氣、氫氣和pH。這些微電極的尖端直徑小于20微米，能夠精確地測量腸道內的微小區域。首先將等足類(lèi)動(dòng)物的腸道嵌入1%低熔點(diǎn)瓊脂糖中，并在昆蟲(chóng)Ringer溶液中固定。使用蓋玻片和顯微鏡載玻片構建測量室，確保腸道在測量過(guò)程中保持穩定。在腸道的前部（距離前端1 mm）、中部和后部（距離后端1 mm）分別進(jìn)行測量。每個(gè)位置的測量分辨率為50微米。使用SensorTrace PRO軟件控制微電極的移動(dòng)并記錄數據。每個(gè)處理組的3個(gè)腸道樣本在三個(gè)位置（前部、中部和后部）分別進(jìn)行測量，總共分析了9個(gè)樣本。

實(shí)驗結果

微塑料攝入對P.scaber的生存率和體重增長(cháng)沒(méi)有顯著(zhù)影響，但等足類(lèi)動(dòng)物表現出對PS食物的回避行為。PLA處理組的腸道微生物活性顯著(zhù)增加，表現為16S rRNA基因和16S rRNA的豐度增加。微塑料處理組的腸道微生物群落結構發(fā)生了顯著(zhù)變化，尤其是PLA處理組的腸道微生物群落與對照組更為相似，而PET和PS處理組的微生物群落則表現出不同的特征。PLA處理組的腸道中發(fā)現了多個(gè)指示物種，如Chryseobacterium、Devosia等，這些物種可能與PLA的降解有關(guān)。PLA處理組的腸道氫氣濃度最高，而PET和PS處理組的氫氣濃度較低。這表明PLA的攝入可能促進(jìn)了腸道中的發(fā)酵過(guò)程，而PET和PS可能抑制了發(fā)酵。整個(gè)等足類(lèi)動(dòng)物的氫氣排放量在10小時(shí)內平均為0.83±0.51 ng氫氣/個(gè)體。假設全球有20%的陸地生態(tài)系統被P.scaber占據，其密度為每平方米75個(gè)個(gè)體，那么P.scaber對全球氫氣排放的貢獻約為0.6–2.6×10^7 kg/年，與稻田的氫氣排放量相當。

圖1、等足類(lèi)胃部的代表性氫氣徑向分布圖。實(shí)驗中，等足類(lèi)喂食了不含微塑料顆粒的食物（對照組；A）或5%的聚乳酸（PLA）（B）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）（C）或聚苯乙烯（PS）（D）食物，經(jīng)過(guò)6天后進(jìn)行胃部提取、瓊脂嵌入和微傳感器測量。每個(gè)胃部的剖面從前部、中部和后部記錄。對每個(gè)處理的兩個(gè)胃部進(jìn)行了分析。

圖2、等足類(lèi)在空氣中培養10小時(shí)后頭部空間的氫氣積累。數值表示三次重復實(shí)驗的均值，每個(gè)小瓶中包含三只等足類(lèi)，分析是在收集后直接進(jìn)行的，未經(jīng)過(guò)微塑料暴露實(shí)驗。虛線(xiàn)表示氫氣混合比的線(xiàn)性回歸。繪制了三次重復實(shí)驗的均值和標準誤差?；貧w方程和斜率的標準誤差顯示在回歸線(xiàn)附近。氫氣排放速率為10.3±6.3 nmol H2（每克等足類(lèi)新鮮重量）每小時(shí)。

圖3、微塑料（MP）攝入對等足類(lèi)胃部和食物中細菌16S rRNA基因和16S rRNA豐度的影響。來(lái)自對照組或2.5%MP（條紋）或5%MP（無(wú)圖案）食物顆粒暴露的等足類(lèi)胃部的核酸提取物（A–C）直接用于基因定量（A，D）。每個(gè)提取物的一個(gè)子樣本經(jīng)過(guò)DNase處理并進(jìn)行逆轉錄，用于16S rRNA分析（B，E）。此外計算了16S rRNA與16S rRNA基因的比值（C，F）。

圖4、活性細菌腸道群落的貝塔多樣性。主坐標分析圖基于A(yíng)itchison距離矩陣，來(lái)源于16S rRNA基因和16S rRNA的分析。每個(gè)圖的PERMANOVA結果已給出。箭頭表示與樣本分離高度相關(guān)的擴增子序列變體（ASVs），按家族和屬/種水平（如果適用）進(jìn)行分類(lèi)。PET，聚對苯二甲酸乙二醇酯；PLA，聚乳酸；PS，聚苯乙烯。

圖5、足類(lèi)動(dòng)物P.scaber腸道嵌入瓊脂糖中。腸道輪廓的前、中、后位置被標出（A）。圖片是在腸道中部進(jìn)行徑向微傳感器測量時(shí)拍攝的，顯示了通過(guò)腸道中心的徑向微傳感器測量過(guò)程。在示意圖的橫截面中，微傳感器距離設置為0微米的腸道中心也被標出（B）。

結論與展望

微塑料（MP）是一個(gè)環(huán)境負擔，通過(guò)大型動(dòng)物的攝食進(jìn)入食物鏈，包括陸地生態(tài)系統中的等足類(lèi)動(dòng)物（Porcellio scaber）。等足類(lèi)是普遍豐富、生態(tài)上重要的分解食腐動(dòng)物。然而MP聚合物對宿主及其腸道微生物群的特定影響尚不清楚。研究人員測試了可生物降解（聚乳酸[PLA]）和不可生物降解（聚對苯二甲酸乙二醇酯[PET]；聚苯乙烯[PS]）的MP對P.scaber的對比影響，介導這一影響的是腸道微生物群的變化。本論文主要是研究微塑料（MP）攝入對陸生等足類(lèi)動(dòng)物Porcellio scaber（一種木虱）腸道中的氫氣產(chǎn)生和微生物組的影響。研究通過(guò)實(shí)驗設計，探討了可生物降解（聚乳酸，PLA）和不可生物降解（聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET；聚苯乙烯，PS）微塑料對P.scaber的健康、腸道微生物群落以及發(fā)酵潛力的影響。本研究旨在調查常規不可生物降解的MP顆粒、PET和PS以及可生物降解的PLA對P.scaber在腸道適應性、腸道微生物群和發(fā)酵潛力方面的影響，其基本假設是可生物降解和不可生物降解的MPs對P.scaber具有相反的影響由相關(guān)腸道微生物群的變化介導。Unisense微電極在本研究中提供了高精度的氧氣、氫氣和pH測量數據，幫助研究人員揭示了微塑料攝入對等足類(lèi)動(dòng)物腸道內部環(huán)境的影響。這些數據對于理解微塑料如何通過(guò)改變腸道微生物群落結構和功能來(lái)影響等足類(lèi)動(dòng)物的發(fā)酵過(guò)程具有重要意義。此外還分析了食物微生物群以研究其對腸道微生物群的影響。