Census and Impact of Microplastics in the Deep-Sea Biosphere

Plastics are among the main anthropogenic impacts of the world oceans. These are also expected to affect deep-sea pelagic and benthic ecosystems but information on microplastics impacts on deep-sea communities and habitats is still very fragmentary. In the framework of this PhD thesis, a protocol for extracting microplastics (2-1000μm) was specifically developed for deep-sea sediments. This protocol was very efficient to recovery microplastics (60%), thus was applied to different benthic deep-sea ecosystems to assess the quantitative and qualitative relevance of microplastics. The data obtained revealed that microplastics are widely present in all the deep-sea habitats, with potentially very high concentrations of microplastics with size lower than 20 μm. Mediterranean canyons can act as conduits for microplastics facilitating their accumulation in deep-sea sediments, although this is not always a general rule. Deep-sea communities can be impacted by microplastics contamination. Indeed, this research revealed that nematodes ingest microplastic fragments as well as Corallium rubrum colonies. In particular, the mesocosm experiments on red corals, exposed to different concentrations of the most common plastic polymers found in marine environment, showed that microplastics harm several physiological and molecular functions need for the maintenance of their vitality. Plastics in deep-sea sediments can be transfer across trophic webs and/or colonized by microbial communities. Here, we found that exclusive bacterial families (i.e., not found in the surrounding deep-sea sediments) can grow on two types of polymers collected in deep-sea canyons, leading to hypothesize that such families could use these plastics and represent their potential degraders. Findings obtained in the present PhD thesis add new insights into the knowledge of microplastics pollution in deep-sea ecosystems and provide new cues for implementing conservation strategies of deep-sea habitats.

La plastica è uno dei principali contaminanti degli oceani del mondo che potrebbe danneggiare anche gli ecosistemi pelagici e bentonici profondi. Tuttavia, le informazioni sul suo impatto su comunità e habitat profonsi sono ancora molto frammentarie. In questa tesi di Dottorato, è stato sviluppato un protocollo specifico per l'estrazione di microplastiche (2-1000μm) da sedimenti di ambienti profondi. Questo è risultato molto efficace nel recupero delle microplastiche (60%), pertanto è stato applicato a diversi ecosistemi bentonici per valutare la rilevanza quantitativa e qualitativa delle microplastiche. I dati ottenuti mostrano che le microplastiche sono presenti in tutti gli habitat analizzati, con concentrazioni di microplastiche < 20 μm potenzialmente molto elevate. I canyon del Mediterraneo possono fungere in alcuni casi da sink di microplastiche facilitando il loro accumulo. Le comunità dei deep sea possono essere danneggiate dalla microplastica. Infatti, questa ricerca ha rivelato che i nematodi ingeriscono frammenti di polimeri come anche il Corallium rubrum. In particolare, gli esperimenti di mesocosmo su coralli rossi, esposti a diverse concentrazioni dei più comuni polimeri trovati in ambiente marino, hanno dimostrato che questi danneggiano diverse funzioni fisiologiche e molecolari fondamentali per la loro vitalità. La plastica nei deep sea può essere trasferita lungo le reti trofiche e/o colonizzata da comunità microbiche. In particolare, è stata osservata la presenza di famiglie batteriche esclusive della plastica su due tipi di polimeri raccolti nei canyon sottomarini, lasciando ipotizzare che tali famiglie potrebbero usare queste plastiche e rappresentare loro potenziali degradatori. I risultati ottenuti nella presente tesi di Dottorato espandono la nostra conoscenza sull' inquinamento da microplastiche negli ambienti profondi e forniscono nuovi spunti per l'attuazione di strategie di conservazione in tali habitat.