Microplastics’ Occurrence and Ecotoxicity of Plastic Leachates in Key Marine Species

My PhD research mainly investigates the increasingly critical problem of plastic litter occurrence in the marine environment, paying particular attention to the semi-enclosed Adriatic Basin, which is predicted as a preferential area of plastics accumulation. Studying the hazard related to both macro- and microplastics (MPs) in seawater, it is crucial not only to investigate the threats posed by plastic itself, but also to evaluate the potential ecotoxicological impact of plastic-associated compounds leached in water phase. In fact, considering the fate of plastics released in the ocean and their natural "aging" process, materials may be subjected to several environmental variables which affect plastic’s transport and distribution and could easily lead to chemical-physical modifications of the original polymer and to the desorption of chemicals, potentially affecting marine organisms. The impact associated to the presence of plastics in the marine environment was studied by exploring: (1) the levels and typologies of microplastics (MPs) in key indicator marine species; (2) the possible role of this material as carrier of both intrinsic compounds or environmental contaminants; (3) the ecotoxicological effects on marine biota caused by the exposure to the ‘cocktail’ of contaminants associated to commercial, beached, recycled and naturally weathered plastics. The results obtained, from the achieved research objectives, have been elaborated through a Quantitative Weight of Evidence (WOE) model used to obtain a synthetic and integrated value of Hazard Quotient (HQ) related to a complex matrix, as plastic turns out to be. Within this PhD project several studies were developed, shown in the below five chapters. Chapter 3 presents an investigation on the occurrence and the characteristics (shape, size and polymer) of microplastics detected in three marine invertebrates of ecological and commercial interest, collected along the Conero Riviera. The survey was conducted highlighting possible seasonal or geographical differences between sampling sites and variations of MPs’ bioavailability among species. In Chapters 4, 5, 6 and 7, the role of plastics as carrier of both intrinsic and environmental compounds in the marine environment, which might possibly lead to the so-called "Trojan horse effect", was explored. In particular, plastics of different polymeric nature and alteration degree have been used to obtain plastic leachates, testing their adverse effects through the use of an integrated battery of ecotoxicological bioassays. As main remarks, Conero Riviera turned out to be widely affected by MPs pollution, since high percentages of organisms positive to MPs ingestion (80%) were revealed, being the fiber-shape the most common typology of microplastic found. Regarding laboratory studies, it was demonstrated that plastics could release different chemicals in seawater during 72 hours of leaching process. Several were the factors modulating the leaching of plastics’ associated chemicals, such as the polymer typology and its thermoplastic or elastomeric nature, the respective amount of additives associated to it, as well as its degree of alteration. In general: (i) beached plastics were found to be carrier of environmental compounds (AHs, PAHs and metals); (ii) commercial plastics’ leachates elicited a strong ecotoxicity compared to weathered or beached plastics; (iii) rubber materials (elastomers) caused greater harmful effects compared to thermoplastics; (iv) pH reduction was not found to influence plastic leaching process and the toxicity of the relative leachates obtained; (v) plastic leachates’ induced toxicity was revealed not only at organism level but also at cellular one.

La presente ricerca di dottorato è volta ad indagare il problema sempre più critico della presenza di plastica nell'ambiente marino, prestando particolare attenzione al Mare Adriatico, ormai noto come zona preferenziale di accumulo di questo contaminante emergente. Valutando il pericolo legato sia alle micro- (MPs) che alle macroplastiche nell’ecosistema marino, è fondamentale non solo indagare le minacce legate alla plastica stessa, ma anche esplorare il potenziale impatto ecotossicologico dei composti associati alla plastica lisciviati in fase acquosa. Infatti, una volta in mare, la plastica è soggetta a diverse variabili ambientali, che influenzano il suo trasporto e la distribuzione e ne modificano le caratteristiche chimico-fisiche originali, dando inizio al processo naturale di “invecchiamento” del materiale. Nel presente studio, l'impatto associato alla presenza di materie plastiche nell'ambiente marino è stato esplorato valutando: (1) i livelli e le tipologie di microplastiche (MPs) in specie marine chiave; (2) il possibile ruolo di questo materiale come vettore di contaminanti intrinseci o ambientali; (3) gli effetti ecotossicologici sul biota marino causati dall'esposizione al 'cocktail' di contaminanti associati alla plastica (commerciale, spiaggiata, riciclata e naturalmente alterata). I risultati ottenuti sono stati elaborati attraverso un modello di Quantitative Weight of Evidence (WOE) utilizzato per ottenere un valore sintetico e integrato di Hazard Quotient (HQ) relativo ad una matrice complessa, come risulta essere la plastica. Nell'ambito di questo progetto di dottorato sono stati sviluppati diversi studi, illustrati nei cinque capitoli seguenti. Il capitolo 3 presenta un'indagine sulla presenza e le caratteristiche delle microplastiche rilevate in tre invertebrati marini di interesse ecologico e commerciale, raccolti lungo la Riviera del Conero. Possibili differenze stagionali o geografiche tra i siti di campionamento e variazioni della biodisponibilità delle MPs tra le specie sono stati indagate. Nei capitoli 4, 5, 6 e 7, è stato esplorato il ruolo della plastica in mare come vettore di composti sia intrinseci che ambientali, ed il possibile "effetto cavallo di Troia" che ne deriva. In particolare, materie plastiche di diversa natura polimerica e di diverso grado di alterazione sono state utilizzate per ottenere elutriati di plastica, testandone gli effetti negativi attraverso l'uso di una batteria integrata di saggi ecotossicologici. Come osservazioni principali, la Riviera del Conero si è rivelata ampiamente soggetta all'inquinamento di MPs. Infatti, le percentuali di organismi positivi all'ingestione di MPs (80%), si sono rivelate alte e la la tipologia più comune di microplastica trovata è stata la fibra. Per quanto riguarda gli studi di laboratorio, è stato dimostrato che la plastica è in grado di rilasciare diverse sostanze chimiche in 72 ore di lisciviazione in acqua di mare. Diversi sono stati i fattori che hanno modulato la lisciviazione delle sostanze chimiche associate alla plastica, come la tipologia del polimero e la sua natura termoplastica o elastomerica, la rispettiva quantità di additivi ad esso associati, nonché il suo grado di alterazione. In generale: (i) la plastica spiaggiata è risultata essere vettore di composti ambientali (idrocarburi alifatici, aromatici e metalli); (ii) gli elutriati di plastica commerciale hanno esibito una forte ecotossicità rispetto alle plastiche ambientali (esposte agli agenti atmosferici o spiaggiate); (iii) i materiali in gomma (elastomeri) hanno causato effetti nocivi maggiori rispetto a quelli termoplastici; (iv) la riduzione del pH non ha influito sul processo di lisciviazione plastica e la tossicità dei relativi elutriati ottenuti; infine, (v) la tossicità indotta elutriati di plastica è stata rivelata non solo a livello dell'organismo, ma anche ad livello cellulare.