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

微塑料攝入影響陸地等足動物腸道中的氫氣產生和微生物組

來源：Environ Microbiol. 2023;1–16

 

摘要核心內容

 

本研究首次揭示可降解（PLA）與不可降解微塑料（PET/PS）對等足類腸道微生物組及氫代謝的相反效應：

 

PLA刺激發酵：攝入PLA提升腸道H?濃度至30 μM（圖1），激活微生物活性（16S rRNA↑50%）。

 

PET/PS抑制發酵：H?濃度降至5 μM（圖1），抑制發酵菌群活性。

全球氫通量：估算等足類年排放H?約10? kg（圖2），相當于稻田排放量。

 

回避行為：等足類顯著回避含PS食物（圖S2）。

 

 

微生物組響應：PLA富集Enterobacteriaceae（乳酸發酵菌），PET富集Mycobacterium（H?氧化菌）（圖6）。

 

 

研究目的

 

探究不同MP類型（PLA vs. PET/PS）對等足類腸道微生物組的影響。

評估MP攝入對腸道發酵及H?排放的調控作用。

量化陸生等足類對全球H?排放的貢獻。

 

研究思路與技術路線

 

graph TD

A[MP暴露實驗] --> B[腸道微環境監測]

B --> C[微生物組分析]

C --> D[氫通量估算]

 

關鍵實驗設計：

MP暴露：喂食含5% PLA、PET或PS的食物8周（圖3）。

 

 

微傳感器剖面：Unisense H?/O?/pH微傳感器測量腸道徑向剖面（空間分辨率50 μm）（圖1）。

全蟲H?排放：密閉培養測定H?累積速率（圖2）。

微生物組分析：16S rRNA基因/RNA測序量化菌群變化（圖4,6）。

 

 

 

關鍵數據及研究意義

數據類別 來源圖表 研究意義

腸道H?空間分布 圖1 PLA組后腸H?濃度達30 μM（vs. PET/PS組5 μM），揭示MP類型調控發酵強度

全球H?通量估算 圖2 等足類年排放H? ≈ 10? kg，確立其作為陸地H?重要排放源

微生物組響應 圖6 PLA組富集Enterobacteriaceae（乳酸發酵菌），解釋H?排放增加機制

回避行為 圖S2 PS顯著降低攝食偏好，提示MP的生態行為毒性

腸道pH梯度 圖S5 后腸pH 5.2–5.8與H?峰值區重合，為甲酸裂解酶（FHL）最適條件

 

 

核心結論

 

MP類型決定代謝效應：

PLA：降解為乳酸→促進Enterobacteriaceae發酵→刺激H?排放（圖7）。

 

PET/PS：抑制發酵菌群→降低H?產量。

腸道為H?熱點：后腸中心H?濃度達30 μM，pH 5.2–5.8利于FHL活性（圖1,S5）。

生態貢獻：等足類年排放H?約10? kg，MP污染可能擾動土壤還原力循環。

微生物組重塑：PLA富集Chryseobacterium等潛在PLA降解菌（圖6A），PET富集氫氧化菌Mycobacterium（圖6B）。

 

Unisense電極數據的深度解讀

技術原理

 

傳感器類型：定制H?/O?/pH微傳感器（tip直徑<20 μm）。

檢測原理：

H?傳感器：安培法（0–50 μM檢測范圍）。

O?傳感器：Clark型電極（0–265.6 μM）。

pH傳感器：玻璃微電極（pH 4–10）。

校準方法：多點校準（H?：0–50 μM；O?：0/265.6 μM；pH：4/7/10）。

空間分辨率：50 μm（圖1剖面步長）。

 

關鍵發現與意義

 

H?空間異質性（圖1）：

后腸為發酵熱點：H?濃度峰值（30 μM）位于腸道中心，向邊緣遞減。

MP特異性效應：PLA組H?濃度比PET/PS組高6倍，直接證明MP調控發酵活性。

意義：首次量化無脊椎動物腸道內H?梯度，揭示"發酵微區"。

 

pH-O?耦合關系（圖S5）：

后腸酸性環境：pH 5.2–5.8與H?峰值區重合，為FHL（甲酸裂解酶）最適條件。

全腸厭氧：O?濃度始終<1 μM（圖S4），證實發酵主導。

意義：闡明H?生成的生化條件（酸性+厭氧），解釋PLA降解產物乳酸驅動發酵的機制。

 

技術驗證（圖2）：

全蟲H?排放：0.83 ng/蟲/h → 驗證微傳感器數據的生態相關性。

線性累積：10 h內H?穩定增長，排除測量假象。

 

研究意義

 

機制創新：結合微傳感器+微生物組，揭示PLA→乳酸→Enterobacteriaceae發酵→H?的通路（圖7）。

生態毒理：證明PET/PS抑制發酵，提示不可降解MP的潛在代謝毒性。

技術示范：微傳感器實現原位、無損、多參數監測，克服傳統勻漿法的空間信息丟失問題。

 

局限與展望

 

未解析PLA降解菌功能：需結合宏基因組驗證降解基因（如酯酶）。

H?氧化菌未定量：PET組Mycobacterium的H?消耗能力待驗證。

技術優化建議：聯用熒光原位雜交（FISH）定位活性菌群。

 

結論：Unisense微傳感器是解析微尺度生物地球化學過程的利器，本研究為MP的生態毒理效應提供了高分辨率證據鏈。