Microplastics in aquaculture: accumulation and physiological effects on experimental models and species of commercial interest

Microplastics (MPs; plastic particles < 5 mm) are pervasive pollutants that impact ecosystems worldwide. MPs have been detected across all trophic levels, causing significant adverse effects, particularly when particles smaller than 20 µm cross the intestinal barrier and accumulate in organs such as the liver, where they induce oxidative stress. The aquaculture sector is also affected by these pollutants, with MPs contamination in farmed fish raising concerns for fish welfare and consumer safety. Given the challenges of removing MPs from the environment, this PhD thesis aimed to explore natural-based strategies to mitigate MPs absorption and alleviate their negative effects in fish, enhancing both welfare and seafood safety. The major innovation of this research was the use of microencapsulated natural astaxanthin, which effectively reduced oxidative stress in zebrafish (Danio rerio) and European seabass (Dicentrarchus labrax) when included in aquafeeds, improving their overall welfare. The encapsulation technology also contributed to a reduction in MPs absorption through a coagulation mechanism driven by microcapsule components, and specifically because of the presence of starch. Further insights into MPs absorption mechanisms were obtained using rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) intestinal organotypic model. The results identified paracellular diffusion and macropinocytosis as key pathways for internalizing MPs sized 1–5 µm, providing a foundation for targeted mitigation strategies at the cellular level. Finally, an analysis of the digestive contents of wild aquatic animals from two contrasting aquatic environments, a river with high anthropogenic activity and a lagoon in a natural protected area, revealed variations in MPs polymers and associated contaminants, reflecting differences in local anthropogenic activities and environmental conditions. These findings underscore the importance of context-specific strategies to reduce MPs pollution and associated risks to ecosystems and aquaculture. This thesis highlights the relevance of integrating natural compounds into aquafeeds as a viable solution to address MPs contamination, while offering a comprehensive framework for understanding MPs' ecological and toxicological impacts.

Le microplastiche (MPs; particelle di plastica < 5 mm) sono inquinanti onnipresenti che impattano gli ecosistemi a livello globale. Le MPs sono state rilevate in tutti i livelli trofici, causando effetti avversi significativi, in particolare, particelle di dimensioni inferiori a 20 µm sono capaci di attraversare la barriera intestinale e si accumulano in organi come il fegato, dove inducono stress ossidativo. Anche il settore dell'acquacoltura è colpito da questi inquinanti, con la contaminazione da MPs nei pesci allevati che solleva preoccupazioni sia per il benessere animale che per la sicurezza alimentare. Considerando le difficoltà nel rimuovere le MPs dall'ambiente, questa tesi di dottorato ha mirato a esplorare strategie basate su composti naturali per mitigare l'assorbimento di MPs e alleviarne gli effetti negativi nei pesci, migliorando sia il benessere animale che la sicurezza dei prodotti ittici. L'innovazione principale di questa ricerca è stata l'utilizzo di astaxantina naturale microincapsulata, che ha ridotto efficacemente lo stress ossidativo in Danio rerio (zebrafish) e Dicentrarchus labrax (spigola) quando inclusa nei mangimi per acquacoltura, migliorandone il benessere complessivo. La tecnologia di microincapsulazione ha inoltre contribuito a ridurre l'assorbimento di MPs attraverso un meccanismo di coagulazione guidato dai componenti delle microcapsule, in particolare grazie alla presenza di amido. Ulteriori approfondimenti sui meccanismi di assorbimento delle MPs sono stati ottenuti utilizzando un modello organotipico intestinale di trota iridea (Oncorhynchus mykiss). I risultati hanno identificato la diffusione paracellulare e la macropinocitosi come vie principali per l’assorbimento di MPs di dimensioni comprese tra 1 e 5 µm, fornendo una base per strategie mirate a livello cellulare per ridurre l’assorbimento di MPs. Infine, un’analisi del contenuto digestivo di animali acquatici selvatici provenienti da due ambienti acquatici contrastanti, un fiume con elevata attività antropica e una laguna facente parte di un’area naturale protetta, ha rivelato variazioni nei polimeri di MPs e nei contaminanti associati, riflettendo differenze dovute alle attività antropiche locali e nelle condizioni ambientali. Questi risultati evidenziano l'importanza di strategie specifiche per ridurre l'inquinamento da MPs e i rischi associati per gli ecosistemi e l'acquacoltura. Questa tesi sottolinea la rilevanza dell'integrazione di composti naturali nei mangimi per acquacoltura come soluzione efficace per affrontare la contaminazione da MPs, offrendo al contempo un quadro completo per comprendere gli impatti ecologici e tossicologici delle MPs.