Ecotoxicological risk of microplastics for marine organisms

Microplastics (MPs) are a growing but still unexplored environmental concern for marine organisms. Although several species can ingest MPs, a clear evidence of their accumulation pathways, trophic transfer and adverse effects is still lacking. In this thesis, the potential role of MPs as vectors of chemical pollutants was initially evaluated in virgin macroplastics, beached macro- and microplastics; laboratory experiments further characterized adsorbing kinetics of pyrene and cadmium on polyethylene (PE) and polystyrene (PS) MPs, and their capability to transfer adsorbed pyrene to mussels Mytilus galloprovincialis. In these organisms, several molecular, biochemical and cellular effects were analyzed in term of immunological responses, lysosomal alterations, peroxisomal proliferation, antioxidant and neurotoxic effects, genotoxicity and gene expression profile. A new protocol for extraction and FT-IR characterization of MPs in marine organisms was optimized and applied to several species of Mediterranean fish and invertebrates. Load of PAHs was higher in weathered and micron-sized particles, and an efficient adsorption of chemicals was confirmed with a time- and dose-dependent trend for both PE and PS. Histological analyses revealed occurrence of ingested MPs in haemolymph, gills and digestive tissues of mussels. Adsorbed PAHs were desorbed from MPs and bioavailable for mussels that showed many altered several molecular and cellular biomarkers. The developed extraction protocol allowed to demonstrate the presence of MPs in the stomach and, for the first time, in liver of exposed Mugil cephalus. Field studies highlighted the occurrence of MPs in 38% of analyzed wild organisms, mostly represented by fragments and lines, while PE, PS and nylon were the dominant polymers. In conclusion, this thesis provides new insights on the ecotoxicological risks of MPs for marine organisms and an important baseline for assessing the level of MPs contamination in Mediterranean biota

La presenza di Microplastiche (MP) negli oceani rappresenta una problematica emergente per l’ecosistema marino; è ormai stato dimostrato che le MP possono essere ingerire da diverse specie di organismi, ma non è stata ancora dimostrata la capacità di trasferimento trofico e di accumulo di queste microparticelle, e sono ancora molto carenti le informazioni sui effetti avversi indotti. In questo lavoro di ricerca, il ruolo di alcuni polimeri plastici, come vettori di inquinanti chimici, è stato inizialmente valutato su campioni di macro-plastiche vergini, macro- e micro-plastiche spiaggiate. Tramite esperimenti di laboratorio, sono state invece studiate sia le cinetiche di adsorbimento del pirene e del cadmio in MP di polietilene (PE) e polistirene (PS), che la loro capacità di trasferire i composti adsorbiti ai mitili, Mytilus galloprovincialis. In questi organismi esposti sono stati analizzati diversi effetti a livello molecolare, biochimico e cellulare, incluse le risposte immunologiche, le alterazioni lisosomiali, la proliferazione perossisomiale, le difese antiossidanti, gli effetti neurotossici, genotossici oltre che il profilo di espressione genica. E’ stato inoltre ottimizzato e applicato un nuovo protocollo per l'estrazione e caratterizzazione (FT-IR) delle MP su diverse specie di pesci e invertebrati del Mar Mediterraneo. I livelli di IPA maggiori sono stati misurati nelle micro e macro-plastiche spiaggiate, mentre un efficiente assorbimento delle sostanze chimiche è stato confermato, sia per il PE che PS, con una modalità di adsorbimento tempo e dose-dipendente. Indagini istologiche hanno rivelato la presenza di MP nell’emolinfa, nelle branchie e nei tessuti digestivi dei mitili. Gli IPA adsorbiti sono stati rilasciati dalle MP e accumulati nei tessuti dei mitili che hanno mostrato alterazioni di diversi biomarker sia molecolari che cellulari. Il protocollo di estrazione sviluppato ha permesso di dimostrare la presenza di MP nello stomaco e, per la prima volta, nel fegato di cefali esposti. Studi sul campo hanno evidenziato la presenza di particelle nel 38% degli organismi selvatici analizzati, con una maggior frequenza di MP sotto forma di frammenti e linee, costituiti preferenzialmente da PE, PS e nylon. In conclusione, questa tesi fornisce nuove informazioni sui rischi ecotossicologici delle MP per gli organismi marini oltre che un’importante linea di base sul livello di contaminazione da MP nel biota Mediterraneo.