聚乳酸微塑料对指示性桡足类动物Eurytemora affinis微生物群的多代影响

《Marine Pollution Bulletin》：Multigenerational effects of polylactic acid microplastics on the microbiota of the sentinel copepod Eurytemora affinis

本研究探究聚乳酸微塑料对浮游性桡足类Eurytemora affinis多代（F0–F4）微生物群的影响。通过高通量测序分析，发现400 μg/L浓度的聚乳酸微塑料显著降低α多样性，引起β多样性变化，并富集降解相关菌群如假单胞菌属和根瘤菌属。功能预测显示代谢通路改变，F4代出现微生物群落恢复趋势。首次系统评估聚乳酸微塑料多代效应，揭示其生态风险。

　　

Wajid Ali|Min-Sub Kim|Haksoo Jeong|Duck-Hyun Kim|Sébastien Monchy|Luen Luen Li|Mian Gul Hilal|Dil Naz|Samira Benali|Jeremy Thery|Jean-Marie Raquez|Philippe Zinck|Sami Souissi|Jae-Seong Lee

里尔大学，法国国家科学研究中心（CNRS），里尔中央理工学院，阿尔图瓦大学，UMR 8181 – UCCS – 固体催化与化学单元，F-59000，里尔，法国

摘要

本研究旨在探讨基于生物的聚乳酸微塑料对河口桡足类动物Eurytemora affinis微生物群的多代（F0–F4）影响。通过高通量测序16S rDNA来评估宿主相关微生物群的组成、多样性和功能潜力，并鉴定分类生物标志物。研究结果表明，在400 μg/L的浓度下，聚乳酸微塑料的暴露显著改变了E. affinis的微生物多样性和组成。从第二代（F1）到第四代（F3），α多样性显著降低，而β多样性分析显示群落结构发生了变化，但没有明显的代际聚集现象。维恩图分析和分类学分析表明，对照组和暴露组之间的扩增子序列存在差异，但在去污代（F4）这些差异有所恢复。通过线性判别分析效应大小分析，发现暴露的桡足类动物中某些分类单元（如Pseudomonas和Mesorhizobium属）富集，这些分类单元与塑料降解有关。使用PICRUSt进行的功能预测显示，暴露宿主相关微生物群中与脂肪酸代谢和降解过程相关的代谢途径富集，表明其功能潜力发生了变化。共现网络分析显示微生物相互作用网络保持稳定。去污代暴露组的桡足类动物相关微生物群显示出恢复的潜力。这是首次研究聚乳酸微塑料对桡足类动物相关微生物群的多代影响。我们的结果表明，聚乳酸微塑料可能扰乱宿主微生物群，从而影响宿主的适应性和生态系统功能。

引言

自20世纪初第一种石化塑料合成以来，各种塑料类型的发展和商业化迅速扩展。20世纪50年代，全球塑料产量约为200万吨，涵盖约15种不同的聚合物（Andrady和Neal，2009年）。此后，产量呈指数级增长，到2023年已超过4.13亿吨。其中约3.74亿吨直接来自化石燃料，而超过3600万吨通过回收过程生产（PlasticsEurope，2024年）。塑料在包装、建筑和建筑等多个领域的广泛应用归因于其多功能性、耐用性和成本效益。然而，塑料对环境的影响仍然是一个关键问题，特别是由于其最终处理方式的选择显著影响了塑料废物的生态足迹（Ali等人，2023a）。尽管采取了多种最终处理策略，但仍有大量塑料废物进入自然环境。据估计，大约60%的塑料废物累积在垃圾填埋场和海洋中（Geyer等人，2017年）。一旦进入自然环境，塑料废物会经历风化过程，分解成更小的颗粒。当这些颗粒大小达到5毫米或更小时，就被归类为微塑料（Frias和Nash，2019年）。微塑料还通过直接工业生产（如化妆品中的微珠）以及洗衣过程中合成纤维的释放进入环境（Karbalaei等人，2018年）。这些微塑料由于其持久性、生物累积潜力以及传输共存污染物的能力，对环境和生态系统构成重大风险。

自20世纪70年代初以来，已在海洋环境中检测到塑料碎片的存在，此后几乎在所有类型的水生环境中都发现了微塑料，包括淡水体、深海甚至北极和南极地区（Parsaeimehr等人，2023年）。在水生环境中，生物体可能通过食物（Matijakovi? Mlinari?等人，2022年）或直接摄入微塑料，这取决于生物体的摄食方式和大小（Sulaiman等人，2023年）。多项研究报道了多种水生物种摄入微塑料及其后果，包括浮游动物（Cole等人，2014年；Thery等人，2022年）、多毛类动物（Missawi等人，2022年；Hamzah等人，2021年）、虾（Leads等人，2019年；Wang等人，2019年）、贻贝（Pedersen等人，2020年；Vasanthi等人，2021年）、鱼类（Rios-Fuster等人，2021年；Ronda等人，2023年）等。此外，还发现了一些水生物种摄入微塑料的情况。因此，也记录了粪便颗粒的变化，例如在桡足类动物中（Coppock等人，2019年；Shore等人，2021年），这可能反映了微塑料污染对营养循环的影响。此外，微塑料的积累和毒性不仅限于被暴露的生物体，还可以通过营养级传递在更高级的营养级中放大，从而导致毒性加剧。

微生物群在生物体的各种生物活动中起着关键作用，从能量产生到免疫细胞发育（Lu等人，2015年；Li等人，2022年）。摄入的微塑料可以与宿主消化道中的微生物群相互作用，并可能导致相关影响（Yan等人，2021年）。最近的毒理学趋势转向评估微塑料对生物体微生物群的影响。研究表明，石化微塑料会导致水生生物体微生物群的失调（Li等人，2020年；Han等人，2022年；Byeon等人，2024年），从而降低生物体的适应性（Kim等人，2024年）。例如，暴露于聚苯乙烯微塑料会影响鱼类的肠道微生物群组成（Wan等人，2019年），导致病原菌（如Flavobacterium）的数量增加（Jin等人，2018年），这种细菌已知会导致多种鱼类疾病（Nematollahi等人，2003年；Lu等人，2019年）。此外，微塑料可以作为载体，将表面定植的微生物（称为“塑料圈”）和来自环境的各种污染物传输到生物体内（Ali等人，2024a），带来额外的潜在威胁。

鉴于石化塑料对生态的负面影响，人们越来越关注环保替代品，如生物塑料。基于生物的和可生物降解的塑料被认为是环保的替代品，主要是因为它们有助于减少对化石燃料的依赖，而且许多生物塑料在堆肥条件下可降解。聚乳酸由可再生资源合成，是最广泛使用的生物塑料之一，应用于医疗、包装等多个领域（Meimoun等人，2021年；Meimoun等人，2022年）。然而，虽然聚乳酸在体内可生物降解，但在自然环境中的降解过程困难，可能导致其积累、破碎并形成微塑料（Ali等人，2023b）。实验室模拟水生条件下的聚乳酸降解实验表明会产生微塑料，其在水生环境中的完全矿化可能具有挑战性（Ali等人，2023b；Ali等人，2024a）。最近，多项研究探讨了聚乳酸微塑料对多种水生实验生物的影响，包括水母（Di Giannantonio等人，2022年）、鲶鱼（Jang等人，2022年）、成年斑马鱼（Chagas等人，2021年）和斑马鱼幼体（de Oliveira等人，2021年）等，并报告了在不同指标上的不同影响。在我们的最新研究中，我们发现聚乳酸微塑料对哨兵桡足类动物Eurytemora affinis的形态和繁殖参数有负面影响（Ali等人，2024b），以及对咸水蚤Diaphanosoma celebensis（Ali等人，2024c）、海洋轮虫Brachionus plicatilis（Ali等人，2025a）的体内和体外参数的影响，以及淡水蚤Daphnia magna的存活和繁殖（Ali等人，2025b）。同样，Seeley等人（2020年）报告称聚乳酸微塑料可作为沉积微生物群的有机碳底物，导致其组成的改变（表1）。

在这方面，最近的研究探讨了聚乳酸微塑料对鱼类物种的影响，并显著改变了肠道微生物群（Duan等人，2022年；Zhang等人，2023年；Qian等人，2025年），因此有必要进一步研究水生生态系统中较低营养级的生物。因此，我们假设尽管聚乳酸微塑料在体内可生物降解，但它们也可能影响哨兵桡足类动物和生物指示物种E. affinis的微生物群。我们的研究不同于以往的研究，因为它使用了较低的浓度（400 μg/L）来研究聚乳酸微塑料对E. affinis微生物群的多代和慢性暴露效应，而此前报道的最高环境石化微塑料浓度为2.5 mg/L（Cózar等人，2014年）。实际上，关于自然环境中聚乳酸微塑料的数据仍然有限，相比之下，其他石化塑料的数据更为丰富；尽管如此，这些微塑料已在多个环境环境中被报道（Kazour等人，2019年；Okoffo等人，2022年；Qian等人，2023年）。报道的聚乳酸微塑料浓度包括废水进水中的0.15 mg/L、污泥中的0.09–0.18 mg/g（干重）、海洋沉积物中的0.10 mg/g以及淡水水库沉积物中的53.5–491 ng/g（干重）（Okoffo等人，2022年；Wang等人，2022年）。鉴于关于自然环境中聚乳酸微塑料浓度的数据有限，本研究中使用的浓度可能高于环境中的报道浓度，但低于其他实验研究中的浓度（Chagas等人，2021年；Di Giannantonio等人，2022年；Duan等人，2024年；Zhang等人，2024年；Qian等人，2025年），这反映了其生产和使用的增加，以及目前可用的最终处理选项（Geyer等人，2017年）。

本研究基于我们之前关于聚乳酸微塑料对该物种形态和繁殖影响的研究结果（Ali等人，2024b），并采用高通量16S rDNA测序来评估其对微生物群的潜在影响。该物种之前已被用于研究微塑料的多代效应（Thery等人，2023年；Ali等人，2024b）和其他环境压力因素（Souissi等人，2016年；Souissi等人，2021年）。我们的目标是研究聚乳酸微塑料对四代生物的潜在多代效应，并评估这些效应在后续恢复代中是否可逆。

部分摘录

模型生物

所选物种E. affinis（Poppe，1880）是一种常见于欧洲和北美河口的桡足类动物。本研究中使用的E. affinis个体最初于2014年9月在法国塞纳河口的寡盐带野外采集（Ali等人，2024b）。自首次采集以来，该种群一直在法国Wimereux的海洋学和地球科学实验室中在受控条件下持续维持。

16S rDNA序列

经过质量过滤后，16S rDNA序列被聚类为ASVs，以构建微生物群落谱型。所有代次的微生物群中共鉴定出3075个ASVs。在多代暴露于聚乳酸微塑料的情况下，使用维恩图可视化每代对照组、暴露组和水样之间共享的OTUs（图2）。在第一代中，暴露组（29.96%）和

讨论

塑料污染是一个全球性的环境问题，微塑料在水生环境中的存在引发了对其对生物体潜在影响的重大关注。水生生物摄入微塑料及其相关影响已得到越来越多的研究，并报告了其潜在影响（Wang等人，2019年；Hamzah等人，2021年；Vasanthi等人，2021年；Missawi等人，2022年；Thery等人，2022年；Ronda等人，2023年）。然而，最近

结论

本研究首次对聚乳酸微塑料对E. affinis微生物群的多代影响进行了评估。尽管聚乳酸微塑料被宣传为环保替代品，但即使在环境相关的浓度下，它们也可能改变E. affinis微生物群的组成、多样性和功能潜力。

CRediT作者贡献声明

Wajid Ali：撰写——原始草稿，可视化，验证，资源，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Min-Sub Kim：撰写——原始草稿，可视化，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Haksoo Jeong：方法学，调查，数据管理。Duck-Hyun Kim：调查，正式分析，数据管理。Sébastien Monchy：方法学，调查，正式分析。Luen Luen Li：

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢里尔早期研究人员计划（PEARL）的财政支持，该计划由I-SITE ULNE基金会协调，通过TOPAZ项目（通过视频追踪和行为分析评估塑料碎片对浮游动物生态的影响）资助Sami Souissi和Philippe Zinck。作者还承认，这项工作有助于CPER IDEAL 2021–2027项目，该项目得到了上法兰西大区和法国政府的支持，