蜕皮前排粪驱动蟋蟀若虫体内微塑料清除

《Physiological Entomology》：Defecation in preparation for ecdysis drives microplastic clearance in cricket nymphs

　　

塑料污染广泛存在于陆地与海洋环境中，造成显著生态问题。处于较低营养级的动物，如许多小型昆虫，能够摄入塑料并在排出前将其滞留较长时间。蜕皮（ecdysis）是节肢动物发育过程中发生的蜕换过程，可促进生长，但其在微塑料（microplastic, MP）清除中的作用以及是否受MP影响，迄今在很大程度上仍未得到探索。研究人员以饰纹灶蟋（Gryllodes sigillatus）为模型，考察蜕皮如何以及在何时影响一种已知在整个发育过程中均可摄入并耐受MP的半变态物种的MP清除。研究检验了关于蜕皮如何影响MP清除的两种备择假说：（1）肠道内衬的蜕换可去除MP；或（2）蜕皮前停止取食和/或排出粪便可去除MP。同时，研究还提供了新的证据，表明蟋蟀若虫的粪便产生呈现与蜕皮相关的周期性（cosinor）模式。结果发现，导致蜕皮发生的一系列事件很可能以协同方式清除蟋蟀消化道内的肠内容物，其中取食减缓与停止，以及消化道内粪便的清除，在蜕皮发生之前即已去除蟋蟀肠道中的大多数MP。研究还观察到，持续摄入MP并不影响蜕皮发生时间与总体粪便产量，而在含MP与不含MP饲料之间切换则会引起龄期内粪便产生时间的轻度变化。已知蟋蟀可将MP生物碎裂（biofragmentation）为纳米塑料（nanoplastic, NP），这一过程结合肠道清空，很可能使其能够快速排出携塑粪便，并通过降低MP滞留而减少沿更高营养级传递的可能性。

该研究发表于《Physiological Entomology》，围绕“蜕皮是否促进昆虫体内微塑料清除，以及这一过程通过何种机制实现”这一问题展开。塑料污染已成为陆地与海洋生态系统中的持续性环境压力，微塑料（microplastic, MP）与纳米塑料（nanoplastic, NP）能够被多类低营养级动物摄入，并在消化系统中滞留不同时间。对于节肢动物而言，塑料滞留时间不仅影响个体暴露持续时长，也影响塑料在食物网中的生物可利用性与向上营养级传递潜力。现有研究虽然已经证实若干无脊椎动物能够摄入并排出微塑料，但决定其滞留与清除效率的生活史因素尚未得到充分解析。蜕皮（ecdysis）是节肢动物发育中的核心事件，伴随外骨骼更新、肠道部分内衬脱落以及蜕皮前行为和生理状态的系统性转变，因此可能深刻影响消化道内塑料颗粒的去留。然而，蜕皮究竟是通过肠道内衬脱落直接移除微塑料，还是主要通过蜕皮前停止摄食与肠道排空实现清除，在昆虫中基本未经直接检验。基于此，研究人员选用半变态昆虫饰纹灶蟋（Gryllodes sigillatus）作为模型，系统追踪若虫在整个龄期内的微塑料滞留、粪便排出节律与蜕皮进程，以解析蜕皮相关过程对微塑料清除的作用机制。

在研究设计上，研究人员首先比较了摄食含聚乙烯（polyethylene, PE）微塑料饲料的若虫在蜕皮前后消化道内MP存在情况，随后进一步通过全因子换食设计，将若虫置于对照饲料、持续MP饲料以及两种交叉换食处理之下，连续监测第五龄至第六龄间的排粪动态与蜕皮时间，并检测关键时间点粪便及肠道样本中的MP存在。研究对象来源于Carleton University饲养的G. sigillatus实验种群，其虫卵最初来自商业养殖来源Entomo Farms。主要技术方法包括：个体化蜕皮追踪与龄期标记、消化道解剖、氢氧化钾（KOH）化学消解、玻璃纤维滤膜过滤、荧光显微成像识别MP，以及采用二项广义线性模型（GLM）和混合效应cosinor模型分析MP检出率、蜕皮时间与排粪节律。该方法体系使研究能够同时从形态学、时间过程与统计节律三个层面判断MP清除发生的时点与机制。

在结果部分，论文首先以“MPs are cleared from the gut before exoskeletal moulting occurs”为题，指出微塑料在外骨骼蜕换发生前已从肠道中被清除。研究显示，在摄食MP污染饲料后，无论是2–3周龄还是3–4周龄若虫，Day 0时大多数个体消化道中均可检测到MP；而当约50%个体完成蜕皮后，无论个体是否已实际完成外骨骼脱换，肠道中MP阳性比例均显著低于Day 0。这一结果说明，与其说“是否已蜕去外骨骼”决定MP滞留，不如说“个体已推进到接近蜕皮的时间阶段”更能解释MP清除。进一步的解剖观察发现，部分刚完成外骨骼蜕皮的3–4周龄个体，其前胃（proventriculus）与前肠外骨骼正在肠道中脱落并向后肠方向移动，且这些脱落的肠道外骨骼多呈翻转状态，提示肠道内衬蜕换发生于外骨骼蜕皮之后并最终经粪便排出。在这些处于肠道内衬脱落过程的个体中，脱落的肠道蜕皮本身未见MP，而检出的少量MP主要出现在仍含有残余内容物或摄入了自身蜕皮碎片的个体中。由此，研究人员得出结论：大多数MP并非主要依赖肠道内衬脱落而被移除，而是在此之前已随肠内容物清除。

第二部分结果以“MP feeding does not impact time to moulting”为题，说明MP摄入并不改变蜕皮时间，但可在特定情况下影响排粪节律。研究人员对四类饮食处理组进行了完整龄期追踪，发现从第五龄开始至第六龄蜕皮完成所需时间在各处理之间无显著差异，表明持续摄食MP或在MP与非MP饲料间切换均未改变整体发育历时。与此同时，排粪量随时间呈显著余弦型节律变化，提示蟋蟀若虫在一个龄期内存在与蜕皮过程紧密耦联的周期性排粪模式。各饮食组的总粪便产量并无显著差异，说明MP本身并未降低整体排泄输出。然而，节律模型显示，饮食处理会影响排粪峰值出现的相位（phase）以及振幅（amplitude）。尤其是在龄期开始时发生饲料切换的组别中，无论是由对照转为MP，还是由MP转为对照，排粪高峰时间均较对照组提前，且MP–Control组的振幅显著增大。该结果表明，对节律影响更明显的因素是“饮食转换”而非“持续MP暴露”本身，提示新异饲料条件可能改变若虫龄期内摄食与排粪节奏，但并未改变最终蜕皮时间和总排粪量。

第三部分结果以“Gut contents of crickets are cleared before ecdysis”为题，直接证明蜕皮前肠内容物排空是MP清除的关键机制。研究在排粪曲线的四个关键时间点检测粪便中的MP，包括：蜕至第五龄后6 h、约44 h的平均排粪高峰、蜕至第六龄前最后一次排粪以及完成第六龄蜕皮后6 h。结果显示，在第五龄期间持续摄食MP的个体，其蜕皮后6 h和约44 h时的粪便中均有较高比例检出MP，说明MP在摄入后可较快经消化道排出。相反，在第四龄摄食MP而第五龄改喂对照饲料的MP–Control组中，仅有1只个体在蜕至第五龄后6 h的粪便中检出MP，说明前一龄期摄入的MP在蜕皮相关过程中几乎已被完全清除。此后，随着龄期推进，排粪量在约44 h后逐渐下降，并在蜕皮前降至零；临近第六龄蜕皮前最后一次排出的粪便中，活跃摄食MP组的MP检出明显减少；而在完成第六龄蜕皮后6 h，仅有2只持续MP暴露个体仍在粪便中检出MP。综合这些结果可见，蟋蟀若虫在接近蜕皮时经历取食减缓、排粪减少直至停止、肠内容物趋于清空的过程，而这正是绝大多数微塑料从消化道中移除的主要时段。

讨论部分围绕上述证据对机制与生态意义进行了整合。研究人员指出，本研究与此前在挪威海螯虾中的单次观察一致，证实蜕皮确实能够显著降低节肢动物体内MP负荷，但在蟋蟀中，这一作用并非单独由肠道内衬脱落驱动，而是由蜕皮前后多个行为与生理事件协同完成。首先，随着蜕皮临近，若虫取食减缓直至停止，消化道内容物和粪便被逐步清空；其次，肠道内衬及可能的围食膜（peritrophic membrane，保护中肠上皮的无细胞结构）在随后蜕换中排出，从而移除残余内容物与少量残存MP。研究因此认为，停止摄食、肠内容物清除以及肠道内衬脱落构成了MP清除的三个关键环节，其中前两者在蟋蟀中贡献最大。讨论还指出，尽管研究原本预期MP生物累积可能扰乱蜕皮或排粪过程，但实验结果未显示持续MP摄入对蜕皮时间或总排粪量有显著影响。作者结合既往研究认为，这可能与蟋蟀具有将塑料生物碎裂为更小颗粒的能力有关，从而降低塑料在消化道中的长期滞留。此外，饮食切换引起的排粪节律变化提示，食物组成变化本身即可重塑龄期内资源处理节奏，但这种变化并未转化为发育延迟。论文进一步强调，不同昆虫类群的蜕皮时序、禁食持续时间与肠道排空模式存在差异，因此塑料在不同昆虫中的滞留与清除模式也可能显著不同。

研究结论部分可概括并翻译为：本研究表明，自然发生的蜕皮过程有助于将微塑料，乃至其他污染物，从昆虫消化道中清除出去。蜕皮过程中可能参与这一清除作用的三个关键事件包括停止取食、肠内容物清除以及肠道内衬脱落，而在蟋蟀中，大多数塑料似乎主要通过前两个过程被清除。在对照饲料与MP饲料之间切换会影响单个龄期内排粪产生的时间与振荡模式，但MP本身并不影响总排粪量，也不改变蜕至下一龄期的时间。尽管本研究聚焦于一个特定发育阶段，研究人员认为这些发现很可能适用于该物种全部若虫龄期。发育过程中反复发生的这种消化道MP清除，可能显著缩短昆虫暴露于塑料的时间。鉴于蟋蟀能够将MP生物碎裂至NP水平，且每次蜕皮均伴随肠道清空，反复蜕皮可能通过缩短滞留时间而降低摄入MP向更高营养级传递的概率；但与此同时，持续向环境释放含塑粪便，也可能提高其他动物暴露于排泄NP的风险。

总体而言，该研究的重要意义在于：其一，首次在半变态昆虫中系统证明蜕皮相关过程是微塑料清除的重要驱动力，并明确指出清除主要发生于外骨骼实际脱换之前；其二，揭示了蟋蟀若虫排粪具有与蜕皮耦联的cosinor节律，为理解昆虫发育期消化生理与污染物排出之间的关系提供了新的时间生物学视角；其三，从生态学层面提示，低营养级昆虫并非仅是塑料向上传递的被动载体，其发育过程中的周期性肠道清空与塑料生物碎裂，可能同时影响塑料在环境中的再分配形式、暴露途径及食物网传递风险。