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合作文章 | “看不见的伤害”海洋微塑料的暴露造成斑马鱼肠道损伤

分类:
阿趣动态
发布时间:
2022/03/17 15:17
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文章标题:Diet preference of zebrafish (Danio rerio) for bio-based polylactic acid microplastics and induced intestinal damage and microbiota dysbiosis

发表期刊:Journal of Hazardous Materials

影响因子:10.588

合作客户:天津理工大学

百趣生物提供服务:16S测序

 

研究背景

“微塑料”是指直径从几微米到几毫米的塑料碎片和颗粒,是形状多样的非均匀塑料颗粒混合体,也是一种造成水环境污染的主要载体,被形象地称为“海中的PM2.5”。微塑料(MPs)污染在水生环境中普遍存在,通过富集污染物并在生物体内不断积聚,最终影响整个生态环境(包括人类健康)。许多研究发现,不同营养水平水生生物的消化器官中均含有MPs。聚乳酸(PLA)是一种使用最广泛的生物基塑料,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一种高产量的石油基塑料。虽然已有研究证实PLA MPs会引起成年斑马鱼、幼年斑马鱼和幼年蜻蜓的一些行为变化和生化功能障碍,但其可生化性对水生动物的潜在影响与传统MPs不同。

为了确定生物基可降解MPs对水生动物消化道的毒理作用,将成年斑马鱼暴露于生物基PLA MPs和石油基PET MPs中15天,比较斑马鱼对两种不同类型MPs的摄食倾向,检测PLA MPs和PET MPs对肠道的损伤。此外,还对斑马鱼肠道16s rDNA基因进行了高通量测序,以评估PLA对肠道菌群失调的影响。

 

研究结果

01 斑马鱼对MPs的摄食和排泄

暴露阶段没有斑马鱼死亡,在斑马鱼肠道中检测到的PLA MPs数量显著高于PET MPs。暴露实验结束后,将斑马鱼转移到无MPs的纯水中。肠道中的PET和PLA MPs都被迅速排泄(图1A,B)。

 

02 斑马鱼肠道内MPs的形态分布和变化

本研究使用了初始粒径相似的PET和PLA MPs。暴露5天后,PET MPs(> 100μm)在斑马鱼肠道中的比例上升至69.0%。从添加PET MPs的水中移除5天后,斑马鱼排泄掉几乎所有的PET MPs(图1C)。斑马鱼肠道中较大的PLA MPs(>100 μm)比例也高于在纯水中的比例。在排泄阶段,PLA MPs粒径<50μm和50-100μm的颗粒所占比例下降,而较大颗粒(>100μm)的比例为73.4%(图1D)。

图1. 斑马鱼摄食和排泄实验中在肠道检测到的PET和PLA数量和粒径分布(n = 6)

03 模拟肠道消化液(SIF)中MPs的形态变化

将PET和PLA MPs分别添加到100mL的SIF溶液中(初始pH值为7.24±0.02),同时将PET和PLA MPs添加到纯水中作为阴性对照,在26℃、160 r/min的条件下振荡15天。15天后,浸泡在SIF中的PET MPs的颗粒大小分布没有显著变化(t=0.459,p>0.05)。相比之下,PLA MPs的粒径显著减小(t=8.087,p<0.01)(图2A)。浸泡过PLA MPs的SIF pH值有显著变化,而浸泡过PET MPs的SIF pH值没有显著变化(图2B)。

图2. SIF对MPs的降解作用

04 PET或PLA MPs引起的肠道损伤

在连续暴露的15天期间,没有斑马鱼死亡。摄入PET和PLA MPs 后,观察到肠道阻塞(图3E,H)。在对照组(Ctr)斑马鱼肠道中,绒毛被上皮层覆盖,完整的肠腔内含有对称分布的杯状细胞(图3A,D)。在PET组中,肠道绒毛空泡化增加(Vac,如黑色箭头所示),并观察到纤毛缺陷(CDs,如红色箭头所示)(图3G)。同时,杯状细胞排列无序,细胞数量下降45.5%(图4B)。

在PLA组中,发现有典型的结构损伤和相对较高的细胞脱落(图3J)。肠道绒毛缩短19.5%(F(3,20)=16.454,p=0.000),杯状细胞数量比Ctr组显著减少53.9%(F(3,20)=195.996,p=0.000)(图4)。PLA组中不良反应比PET组更加严重,不良反应包括无序排列的杯状细胞、Vac、CDs和粘液量增加(如绿色箭头所示)。

图3. 连续暴露于MPs 15天后成年斑马鱼的肠道形态

图4. MPs对成年斑马鱼肠道损伤的统计分析(n = 6)

05 肠道微生物组成的变化

在Ctr组、PET组和PLA组中,斑马鱼肠道微生物的OTU数量分别为2408、1884和1840。暴露于PET 或PLA MPs的斑马鱼肠道微生物多样性大大减少。PET和PLA处理中特有OTU的数目分别为384和931(图5A)。PCoA结果进一步表明PET组与Ctr组相似,而PLA组与Ctr组和PET组有显著差异(R=0.264,p=0.046)(图5B)。因此,与PET MPs相比,PLA MPs对肠道微生物组成的影响更大。

图5. MPs暴露引起的肠道微生物组改变(n = 4)

肠道微生物组成的不同可归因于肠道优势菌群丰度的改变。在门水平上, Ctr组中的优势微生物为厚壁菌门(30.3%)、变形菌门(27.4%)、梭杆菌门(22.1%)、拟杆菌门(11.1%)和放线菌门(4.1%)(图5C)。这些微生物在PET组中也是优势物种。然而,在PET组中,厚壁菌门和放线菌门的相对丰度分别显著降低了15.5%(F(2,9)=5.374,p=0.014)和21.0%(F(2,9)=6.834,p<0.01)。在属水平上,PET组中有31种肠道微生物发生了显著变化(图5D)。在PET组中,鲸杆菌属(Cetobacterium)为优势物种(21.70%),相对丰度与Ctr组(21.8%)接近;甲基杆菌属(Methylobacterium)(F(2,9)=21.468,p<0.01)和拟杆菌属(Bacteroides)(F(2,9)=16.597,p<0.01)的相对丰度显著增加,分别为13.3%和8.7%;而乳杆菌(Lactobacillus)的相对丰度与Ctr组(3.8%)相比下降到0.5%。这些肠道菌群主要与鱼类感染和神经退行性疾病有关(图6)。

图6. 成年斑马鱼连续1 5d暴露于PLA或PET的肠道菌群功能注释及聚类

与PET组相比,PLA组的肠道菌群变化更大。在门水平上,PLA组的优势微生物为变形菌门(31.6%)、厚壁菌门(19.2%)、酸杆菌门(12.7%)、软壁菌门(10.4%)和放线菌门(4.1%)(图5C)。此外,酸杆菌门(F(2,9)=6.672,p=0.016)和软壁菌门(F(2,9)=7.655,p=0.011)的相对丰度显著增加,梭杆菌门的相对丰度下降了82.0% (F(2,9)=12.564,p=0.002)。在属水平上,PLA组中的优势微生物为支原体(Mycoplasma)(10.4%),而鲸杆菌属(Cetobacterium)、甲基杆菌属(Methylobacterium)和乳杆菌(Lactobacillus)的相对丰度明显下降,分别为3.9%、1.9%和0.1%(图5D)。与PET组相比,PLA组斑马鱼肠道微生物的变化更加显著,这些变化与鱼类代谢(能量、氨基酸和脂质代谢)、细胞过程(细胞生长和死亡、细胞过程和信号传导和细胞运动)和疾病(感染和神经退行性疾病)相关(图6)。


结论

与石油基PET MPs相比,生物基PLA MPs对斑马鱼肠道的损伤更大。PLA MPs还会引起肠道微生物群结构和多样性的特殊变化,这些变化与鱼类能量代谢和细胞过程的紊乱有关。推测在长期生物基MPs暴露下,PLA等可能通过改变肠道菌群的组成对动物健康造成更复杂的影响,因此值得我们进一步关注。

文献下载链接:

https://pan.baidu.com/s/1qjjOMjerUBfPKia2Lk38bA

提取码:DA28

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