Microplastic ingestion affects hydrogen production and microbiomes in the gut of the terrestrial isopod Porcellio scaber  

微塑料攝入影響陸生等足類動(dòng)物Porcellio scaber腸道產(chǎn)氫能力及微生物組  

來源：Environmental Microbiology, Volume 25, Pages 2776-2791, 2023.  

《環(huán)境微生物學(xué)》第25卷，第2776-2791頁，2023年  

 

摘要內(nèi)容

 

研究揭示了可降解（聚乳酸PLA）與不可降解（聚對苯二甲酸乙二醇酯PET、聚苯乙烯PS）微塑料（MP）對等足類動(dòng)物Porcellio scaber腸道微生物組及氫氣（H?）排放的差異化影響：  

行為與生存：等足類顯著回避含PS食物，但MP攝入（8周暴露）未顯著影響其生存率（≈80%）或體重。  

 

腸道環(huán)境：  

 

微電極測量顯示腸道呈缺氧狀態(tài)（氧分壓≈0），pH 5-7。  

 

氫氣產(chǎn)生：PLA組腸道中心H?濃度最高（≈30 μM），PET/PS組最低（圖1）。  

 

H?排放速率：活體等足類平均排放0.83±0.51 ng H?·只?1·h?1（圖2）。  

微生物響應(yīng)：  

 

 

PLA刺激細(xì)菌增殖（16S rRNA基因豐度↑），尤其富集Alcaligenaceae等菌科（圖3, 圖6）。  

 

 

PET組富集Mycobacterium（潛在耗H?菌），PS組改變食物微生物組成（圖4,）。  

 

全球意義：估算全球等足類年排放H?約10? kg（相當(dāng)于稻田排放量級），MP污染可能通過調(diào)控H?排放影響土壤碳循環(huán)。  

 

研究目的

探究可降解（PLA）與不可降解（PET、PS）MP對P. scaber腸道微生物組和發(fā)酵活性的差異化影響。  

 

評估MP攝入是否通過改變腸道發(fā)酵途徑（如H?產(chǎn)生）影響土壤生態(tài)系統(tǒng)功能。  

 

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

等足類暴露于含0%、2.5%或5% PLA/PET/PS的食物8周。  

 

分組：對照組（無MP）、PLA組、PET組、PS組。  

多維度檢測：  

 

行為與生理：攝食偏好、存活率、體重。  

 

腸道微環(huán)境：Unisense微電極測量O?、pH、H?濃度（圖1）。  

 

微生物組：qPCR定量16S rRNA基因/rRNA（圖3），高通量測序分析群落結(jié)構(gòu)（圖4-6）。  

 

 

整體H?排放：氣相色譜測定活體等足類H?釋放速率（圖2）。  

 

測量數(shù)據(jù)、來源及研究意義

腸道H?濃度梯度（圖1）：  

 

數(shù)據(jù)：PLA組腸道中心H?濃度達(dá)30 μM，顯著高于對照組（20 μM）及PET/PS組（<10 μM）。  

 

意義：首次量化MP對腸道發(fā)酵活性的影響，證實(shí)PLA促進(jìn)而PET/PS抑制H?產(chǎn)生。  

活體H?排放速率（圖2）：  

 

數(shù)據(jù)：0.83±0.51 ng H?·只?1·h?1，線性積累（10小時(shí)達(dá)24 ng/只）。  

 

意義：確立等足類為新型H?排放源，為全球土壤H?通量估算提供依據(jù)。  

微生物豐度與活性（圖3）：  

 

數(shù)據(jù)：PLA組腸道16S rRNA基因豐度↑40%（vs 對照組），16S rRNA:基因比值不變。  

 

意義：PLA刺激細(xì)菌增殖但不改變代謝活性，提示其作為碳源被利用。  

微生物群落結(jié)構(gòu)（圖4-6）：  

 

數(shù)據(jù)：PLA組富集Chryseobacterium等9個(gè)指示菌屬（圖6A），PET組富集Mycobacterium（圖6B）。  

 

意義：MP類型特異性塑造腸道菌群，PLA可能通過乳酸發(fā)酵促進(jìn)H?產(chǎn)生（圖7）。  

 

結(jié)論

MP類型特異性效應(yīng)：  

 

PLA促進(jìn)腸道發(fā)酵（H?↑），PET/PS抑制發(fā)酵活性（H?↓）。  

 

PS引發(fā)攝食回避行為，但短期暴露不影響生存。  

微生物機(jī)制：  

 

PLA可能被微生物降解為乳酸，通過Enterobacteriaceae的混合酸發(fā)酵途徑產(chǎn)H?（圖7）。  

 

PET可能刺激耗H?菌（如Mycobacterium）增殖，降低凈H?排放。  

生態(tài)意義：  

 

等足類為全球重要H?排放源（估算年排放10? kg），MP污染可能通過調(diào)控H?排放影響土壤還原性物質(zhì)循環(huán)。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

實(shí)驗(yàn)中采用定制微電極（O?、H?、pH，尖端直徑<20 μm）結(jié)合Unisense Microsensor Multimeter系統(tǒng)（圖1方法），其核心價(jià)值在于：  

高分辨率原位監(jiān)測：  

 

20 μm超細(xì)針尖實(shí)現(xiàn)腸道徑向剖面測量（前/中/后腸），空間分辨率50 μm，首次揭示H?濃度梯度（中心最高30 μM）。  

缺氧環(huán)境驗(yàn)證：  

 

O?微電極證實(shí)腸道全程缺氧（O?≈0），為"發(fā)酵主導(dǎo)H?產(chǎn)生"提供直接證據(jù)。  

MP效應(yīng)量化：  

 

H?微電極數(shù)據(jù)明確區(qū)分MP類型效應(yīng)：PLA組H?濃度較對照組↑50%，PET/PS組↓50%（圖1），為"可降解MP促進(jìn)發(fā)酵"假說提供關(guān)鍵支持。  

技術(shù)不可替代性：  

 

傳統(tǒng)氣相色譜僅能測整體排放（圖2），而微電極定位發(fā)酵熱點(diǎn)（中后腸），結(jié)合pH數(shù)據(jù)（pH 5-6）鎖定FHL酶（formate hydrogen lyase）最適條件，闡明乳酸→H?的轉(zhuǎn)化機(jī)制（圖7）。