背景介紹：微塑料是環(huán)境中的一大負(fù)擔(dān)，主要來源于塑料垃圾的破碎和降解。全球已生產(chǎn)超過83億噸塑料，其中約60%被丟棄，導(dǎo)致大量微塑料進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)。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(tài)系統(tǒng)有重要影響。它們的腸道微生物組在營養(yǎng)循環(huán)和免疫功能中起著關(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(xù)8周。同時設(shè)置了不含微塑料的對照組。通過高通量測序技術(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(jié)構(gòu)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(tǒng)）測量了腸道中的氫氣濃度，以評估微塑料對腸道發(fā)酵過程的影響。同時監(jiān)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(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響腸道發(fā)酵過程。PLA攝入促進(jìn)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(fā)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(huán)有顯著貢獻(xiàn)。這項研究揭示了微塑料對土壤生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵分解者的潛在影響，強(qiáng)調(diào)了等足類動物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，尤其是在氫氣排放方面。

Unisense微電極測定系統(tǒng)的應(yīng)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(nèi)的微小區(qū)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(gòu)建測量室，確保腸道在測量過程中保持穩(wěn)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(shù)據(jù)。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(jìn)行測量，總共分析了9個樣本。

實驗結(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)發(fā)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(xiàn)出不同的特征。PLA處理組的腸道中發(fā)現(xiàn)了多個指示物種，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)酵過程，而PET和PS可能抑制了發(fā)酵。整個等足類動物的氫氣排放量在10小時內(nèi)平均為0.83±0.51 ng氫氣/個體。假設(shè)全球有20%的陸地生態(tài)系統(tǒng)被P.scaber占據(jù)，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(xiàn)約為0.6–2.6×10^7 kg/年，與稻田的氫氣排放量相當(dāng)。

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(jīng)過6天后進(jìn)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(jìn)行了分析。

圖2、等足類在空氣中培養(yǎng)10小時后頭部空間的氫氣積累。數(shù)值表示三次重復(fù)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(jìn)行的，未經(jīng)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(fù)實驗的均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差?；貧w方程和斜率的標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(jīng)過DNase處理并進(jìn)行逆轉(zhuǎn)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(xiàn)）。

圖4、活性細(xì)菌腸道群落的貝塔多樣性。主坐標(biāo)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(jié)果已給出。箭頭表示與樣本分離高度相關(guān)的擴(kuò)增子序列變體（ASVs），按家族和屬/種水平（如果適用）進(jìn)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(biāo)出（A）。圖片是在腸道中部進(jìn)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(shè)置為0微米的腸道中心也被標(biāo)出（B）。

結(jié)論與展望

微塑料（MP）是一個環(huán)境負(fù)擔(dān)，通過大型動物的攝食進(jìn)入食物鏈，包括陸地生態(tài)系統(tǒng)中的等足類動物（Porcellio scaber）。等足類是普遍豐富、生態(tài)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(dǎo)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(chǎn)生和微生物組的影響。研究通過實驗設(shè)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(diào)查常規(guī)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(yīng)性、腸道微生物群和發(fā)酵潛力方面的影響，其基本假設(shè)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(dǎo)。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(shù)據(jù)，幫助研究人員揭示了微塑料攝入對等足類動物腸道內(nèi)部環(huán)境的影響。這些數(shù)據(jù)對于理解微塑料如何通過改變腸道微生物群落結(jié)構(gòu)和功能來影響等足類動物的發(fā)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。