《Environmental Research》：Toward ecological realism in microplastic toxicology: Intestinal responses to biofilm-colonized microplastics from distinct environmental compartments in fish
编辑推荐：
•原位MP生物膜在不同环境区室间存在差异。•生物膜定殖的MPs与鱼类肠道中的不同反应相关联。•水柱中的MPs与黏膜相关类群和糖代谢变化相关联。•沉积物-水界面（SWI）定殖的MPs表现出与氧化应激一致的代谢模式。引言水生环境中的微塑料（MPs）可能为微生物定殖提供有利的表面，
- •
原位MP生物膜在不同环境区室间存在差异。
- •
生物膜定殖的MPs与鱼类肠道中的不同反应相关联。
- •
水柱中的MPs与黏膜相关类群和糖代谢变化相关联。
- •
沉积物-水界面（SWI）定殖的MPs表现出与氧化应激一致的代谢模式。
引言
水生环境中的微塑料（MPs）可能为微生物定殖提供有利的表面，形成MP相关生物膜（Chen等，2025；He等，2022）。该生物层可反过来改变MPs的物理化学性质并影响其环境行为（McGivney等，2020；Song等，2023，2024），从而改变水生生物的暴露情景和毒理学结果（Moyal等，2023；Zhou等，2025）。目前，MP研究正从原始和实验室老化MP向真实环境中的MP转变，以将机制认识与生态真实性相结合（Gouda等，2025）。在此背景下，需要更全面地了解真实环境条件下MP上的生物膜发育及其相关的毒理学后果。
关于MP上的生物膜发育，现有大多数研究聚焦于理想化条件下的单一环境区室，为MP上生物膜形成的初始定殖过程提供了重要见解（Chen等，2025；Klun等，2025；Li等，2022a；Qiang等，2021；Ramsperger等，2020；Wu等，2024）。然而，生物膜发育是一个演替过程，MP相关生物膜的特征可能并不均匀一致，而是取决于生物膜发育所发生的环境区室。在自然水生系统中，水柱和沉积物-水界面（SWI）代表了两种具有不同物理化学条件、养分可用性、氧环境和微生物群落的微生物环境。这些区室特异性特征可能导致MP颗粒上生物膜群落、胞外聚合物和表面修饰的差异，最终生成具有不同生物污染特征的MP。因此，需要涵盖多个环境区室的长期观察，以阐明在真实条件下区室特异性特征对生物膜发育的影响。
由于环境中获取的生物膜可能赋予MPs不同的生物污染特征，因此有必要研究环境驯化过程中区室特异性特征对MP毒性可能产生的改变。与原始和实验室老化MP不同，源自不同环境区室（如水柱和SWI）的真实环境MP可能并不代表等同的暴露材料，即使它们具有相同的尺寸、形状和聚合物类型。先前的研究表明，生物膜定殖可能通过掩盖合成表面性质和改变颗粒识别来改变鱼类的MP摄食模式（Wu等，2024；Li等，2021）。然而，区室特异性生物膜驯化的生物学后果仍缺乏充分表征。鱼类摄食后，肠道成为MP积累的主要部位（Ding等，2020）。尽管现有证据表明，MPs可通过改变消化活性、免疫调节、肠道微生物组成和代谢稳态来影响肠道功能（Bao等，2024；Khan等，2025；Hou等，2022；Li等，2022b；Wang等，2024），但这些发现主要源自原始或实验室老化MP，可能无法完全代表与真实环境MP相关的反应。携带不同区室发育生物膜的MP可能将不同的颗粒性质和相关的微生物群落引入鱼类肠道。这些环境衍生特征可能导致摄食后与宿主相关微生物和生理反应发生区室依赖性交互作用。因此，有必要将环境生物膜发育与宿主水平反应相结合，以评估不同环境区室中真实环境MP的生态相关性。
为弥补研究空白，本研究建立了一个证据整合框架，包含两个相连的实验，涵盖野外定殖和实验室暴露。首先，进行了一项为期50周的原位定殖实验，以获取真实环境中的生物膜定殖MP，并阐明水柱和SWI区室中各类MP表面上生物膜的开发模式。该实验使用了三种聚合物类型的MP，包括聚氯乙烯（PVC）、聚乳酸（PLA）和尼龙66（PA66）。在定殖过程中，分析了MP表面上生物膜的生物量和微生物群落组成，同时评估了聚合物基质的老化特征。基于环境驯化期间表现出的稳定性，PA66被选为后续实验室暴露的代表性聚合物。随后进行受控鱼类暴露实验，以阐明携带区室特异性特征的MP可能产生的不同肠道反应。具体而言，使用原始的生物膜定殖PA66 MPs（分别来自水柱和SWI）进行为期14天的实验室暴露实验，实验对象为尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）。评估了多种肠道反应指标，包括肠道MP积累、肠道功能生物标志物、肠道微生物群落组成和宿主的非靶向代谢谱。通过将真实环境生物膜发育结果与受控鱼类暴露实验相结合，本工作有助于从综合视角评估不同环境区室中真实环境MP的生态风险。
章节摘要
定殖与采样
直径3 mm的PVC、PLA和PA66微球购自华创塑料（广东，中国）。在进行原位定殖实验之前，将MPs在70%乙醇中浸泡30分钟进行灭菌，并用超纯水冲洗三次。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR，IRTracer-100，岛津，日本）鉴定聚合物类型（见图3）。为期50周的原位定殖实验在一条河流中进行
生物膜生物量的变化
通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察（图1A）发现，三种基质上均发生了快速的初始微生物定殖。结晶紫染色进一步量化了这种快速附着，显示第1周至第3周总生物膜生物量显著增加（p < 0.05）（图1B）。在后期阶段，水柱中MPs上的生物量波动，而SWI处的生物量则随时间逐渐增加。水柱中MPs上生物膜生物量的波动可能与季节温度变化有关
环境意义
本研究将长期野外生物膜发育与受控毒理学评估相结合，为MP作为生物污染物的生态风险提供了新视角。本研究突破了使用原始或实验室条件化MP进行传统毒性评估的局限，利用长期原位生物膜定殖的MP，从而提高了MP暴露情景的生态相关性。基于野外定殖PA66 MPs观察到的环境持久性
作者贡献声明（CRediT）
丁念念：撰写——初稿、可视化、项目管理、方法学、经费获取、形式分析、概念构思。石怡：可视化、验证、形式分析、数据管理。邹华：撰写——审稿与编辑、监督。郑立行：可视化、方法学、调查研究。朱文斌：资源提供、方法学。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（编号：42477405）的资助。
丁念念|石怡|邹华|郑立行|朱文斌
