背景介紹：微塑料是環境中的一大負擔，主要來源于塑料垃圾的破碎和降解。全球已生產超過83億噸塑料，其中約60%被丟棄，導致大量微塑料進入生態系統。P.scaber是一種廣泛分布的土壤分解者，以腐爛的樹葉和木材為食，對土壤生態系統有重要影響。它們的腸道微生物組在營養循環和免疫功能中起著關鍵作用。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。同時設置了不含微塑料的對照組。通過高通量測序技術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（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酵過程的影響。同時監測了等足類動物的生存率、體重變化和運動行為，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，但顯著改變了腸道微生物組的結構和功能，進而影響腸道發酵過程。PLA攝入促進了腸道微生物的生長和活性，而PET和PS則可能抑制了微生物的發酵功能。P.scaber的腸道是一個重要的氫氣排放源，其排放量可能對全球氫氣循環有顯著貢獻。這項研究揭示了微塑料對土壤生態系統中關鍵分解者的潛在影響，強調了等足類動物在土壤生態系統中的重要作用，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動物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。首先將等足類動物的腸道嵌入1%低熔點瓊脂糖中，并在昆蟲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）分別進行測量。每個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并記錄數據。每個處理組的3個腸道樣本在三個位置（前部、中部和后部）分別進行測量，總共分析了9個樣本。


實驗結果


微塑料攝入對P.scaber的生存率和體重增長沒有顯著影響，但等足類動物表現出對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生了顯著變化，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處理組的腸道中發現了多個指示物種，如Chryseobacterium、Devosia等，這些物種可能與PLA的降解有關。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的攝入可能促進了腸道中的發酵過程，而PET和PS可能抑制了發酵。整個等足類動物的氫氣排放量在10小時內平均為0.83±0.51 ng氫氣/個體。假設全球有20%的陸地生態系統被P.scaber占據，其密度為每平方米75個個體，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、等足類胃部的代表性氫氣徑向分布圖。實驗中，等足類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，經過6天后進行胃部提取、瓊脂嵌入和微傳感器測量。每個胃部的剖面從前部、中部和后部記錄。對每個處理的兩個胃部進行了分析。

圖2、等足類在空氣中培養10小時后頭部空間的氫氣積累。數值表示三次重復實驗的均值，每個小瓶中包含三只等足類，分析是在收集后直接進行的，未經過微塑料暴露實驗。虛線表示氫氣混合比的線性回歸。繪制了三次重復實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附近。氫氣排放速率為10.3±6.3 nmol H2（每克等足類新鮮重量）每小時。

圖3、微塑料（MP）攝入對等足類胃部和食物中細菌16S rRNA基因和16S rRNA豐度的影響。來自對照組或2.5%MP（條紋）或5%MP（無圖案）食物顆粒暴露的等足類胃部的核酸提取物（A–C）直接用于基因定量（A，D）。每個提取物的一個子樣本經過DNase處理并進行逆轉錄，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Aitchison距離矩陣，來源于16S rRNA基因和16S rRNA的分析。每個圖的PERMANOVA結果已給出。箭頭表示與樣本分離高度相關的擴增子序列變體（ASVs），按家族和屬/種水平（如果適用）進行分類。PET，聚對苯二甲酸乙二醇酯；PLA，聚乳酸；PS，聚苯乙烯。

圖5、足類動物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行徑向微傳感器測量時拍攝的，顯示了通過腸道中心的徑向微傳感器測量過程。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）是一個環境負擔，通過大型動物的攝食進入食物鏈，包括陸地生態系統中的等足類動物（Porcellio scaber）。等足類是普遍豐富、生態上重要的分解食腐動物。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）攝入對陸生等足類動物Porcellio scaber（一種木虱）腸道中的氫氣產生和微生物組的影響。研究通過實驗設計，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動物腸道內部環境的影響。這些數據對于理解微塑料如何通過改變腸道微生物群落結構和功能來影響等足類動物的發酵過程具有重要意義。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。