Microplastics can be defined as “any synthetic solid particle or
polymeric matrix, with regular or irregular shape and with size ranging
from 1 μm to 5 mm, of either primary or secondary manufacturing
origin, which are insoluble in water”. The growing demand and
consequent production of plastic products both at microscale (e.g.,
personal care products) and at macroscale with inappropriate disposal
subsequent degradation in the environment has turned microplastics
into global emergent pollutants of the aquatic environment. In fact, the
levels of microplastics that have been found in river and lake
sediments, raise concern about ingestion and potential negatives
effects of microplastics in aquatic benthic invertebrates, particularly
those who feed on particulate matter. Possible effects at different
levels of biological organisation (sub
-organismal up to community
level
s) are still overlooked
, as well as the study of the toxic effects of
microplastics to invertebrate biota under relevant exposure scenarios,
especially considering climatic change. Therefore, the objective of this
thesis was to evaluate the effects of irregularly shaped pol
y
ethylene
microplastics (one of the polymer type microplastics most produced
and found in aquatic sediments) using a holistic approach that
combines sub
-organismal, organismal, population and community
level responses, aiming to produce relevant ecotoxicol
o
gical data for
risk assessment of microplastics in freshwaters.
First, a quantitative and qualitative assessment of the ingestion of
microplastics was evaluated in two model aquatic species, the
dipteran Chironomus riparius and the endobenthic oligochaet
e
Lumbriculus variegatus, as these species feed on particulate matter,
being prone to ingest microplastics. Along with the assessment of the
ingestion of microplastics, the effects (both at sub
-cellular and
organismal level) were assessed in an attempt to link ingestion and
potential deleterious effects induced by the particles per se. Activation
of immune response
(phenoloxidase activity), oxidative stress and
damage
, as well as
, effects on life
-history traits (larval growth and
development)
, were observed in C. ripariu
s and associated to the
augmented ingestion and retention of microplastics in their gut when
compared to L. variegatus, which only presented slight evidence of
oxidative stress and no effects on reproduction.
The combined exposure of microplastics with natural stressors was
then performed in Chironomus riparius
(the most sensitive species
).
Temperature, salinity and food shortage were used as natural
stressors relevant under climate change scenarios and that
could
modulate the ingestion and induced effects of microplastics in relevant
exposure scenario
s
.
The results show that interactions between microplastics exposure
and these natural stressors are complex and mainly additive and
antagonistic effects were observed. However, results also identified
conditions (low temperatures and severe food shortage) where sub
-
lethal effects of MPs to natural populations of C. riparius can be
stronger than predicted by standard toxicity assays. These combined
exposures revealed that under different environmental conditions,
toxicity of MPs is not simply a reflection of internal concentrations of
particles. Conceivably the main research gap that subsists is the investigation
on the ecological effects of microplastics. For that purpose, this thesis
performed a mesocosms approach addressing the effects at the
community structure and ecosystem functioning, vital to deliver higher
-
tier
risk
assessments
. This higher
-tier approach (i.e., using artificial
streams inoculated with natural benthic invertebrate communities)
showed that the exposure to a pool of different
-sized polyethylene
microplastics affected the macroinvertebrate community structure,
mainly by reducing the abundance of deposit
-feeders and grazers.
The ingestion of microplastics by different invertebrate feeding groups
correlated positively with the effects as deposit
-feeders and grazers
presented the higher number of microplastics inside the organisms’
guts.
A slight reduction in primary production was observed and may
be a possible direct effect of microplastics on periphyton growth. Only
slight effects were observed in terms of leaf litter decomposition
signalling that the exposure to polyethylene microplastics might not
have affected feeding behaviour of shredders or in turn
that exposure
period was too short to reveal trait
-mediated indirect effects
.
In conclusion, the present thesis demonstrates that microplastics can
be ingested by some aquatic macroinvertebrates and that enhanced
ingestion can potentially pose a risk to
natural invertebrates’
population. Despite considerable interspecific variation in sensitivity to
polyethylene microplastics, their presence in sediments can alter
community structure and represent a risk to ecosystem functioning at
the long
-term.
The present thesis confirms that immune responses and oxidative
stress as key molecular initiating event
s in microplastic toxicity, shows
that assessing the internal concentrations of plastic particles is critical
for a correct evaluation of effects in biota and
highlights the need to
incorporate more invertebrate species and relevant exposure
conditions for an accurate risk assessment of microplastics in
freshwaters.Os microplásticos podem ser definidos como “qualquer partícula
sólida de origem sintética ou matriz polimérica, de forma regular ou
irregular e com tamanho entre 1 μm to 5 mm, tanto de origem de
produção primária como secundária e que são insolúveis em água”.
A crescente procura por este tipo de produtos e consequentemente a
sua maior produção, tanto à microescala (p. ex.: produtos de higiene
pessoal), como à macroescala com descarte incorreto e consequente
degradação no meio ambiente, tornaram os microplásticos num
poluente emergente do ambiente aquático à escala global.
Assim sendo, os níveis de microplásticos que têm vindo a ser
encontrados nos sedimentos de rios e lagos geram preocupação
acrescida relativamente à sua potencial ingestão e efeitos gerados por
esta em invertebrados bentónicos, particularmente aqueles que se
alimentam de matéria orgânica particulada. Existe ainda pouca
informação relativamente aos possíveis efeitos provocados pelos
microplásticos nos diversos níveis de organização biológica (desde o
nível suborganismal até à comunidade), bem como, em relação aos
efeitos dos microplásticos em invertebrados sob cenários relevantes
de exposição, em especial considerando as alterações climáticas.
Assim, o principal objetivo desta tese foi o de avaliar os efeitos de
microplásticos com forma irregular de polietileno (um dos polímeros
mais produzidos no mundo e também dos mais encontrados nos
sedimentos de rios e lagos), usando uma abordagem holística que
combina respostas ao nível sub-organismal, organismal, populacional
e da comunidade, pretendendo deste modo facultar informação
ecotoxicológica relevante que possa ser usada na avaliação de risco
dos microplásticos em ambientes dulçaquícolas.
Para tal, a ingestão de microplásticos foi avaliada em termos
quantitavos e qualitativos em duas espécies bentónicas -modelo, o
díptero Chironomus riparius e o oligoqueta Lumbriculus variegatus,
que sendo espécies que se alimentam de matéria particulada, estarão
mais suscetíveis à ingestão de microplásticos. Paralelamente à
avaliação da ingestão de microplásticos, foram também avaliados os
efeitos (tanto a nível sub-celular como ao nível do organismo) numa
perspetiva de relacionar ingestão e efeitos. Os principais efeitos
observados prenderam-se assim com a ativação da resposta imune
(medida através da atividade da fenoloxidase), stress e dano
oxidativo, bem como efeitos ao nível do ciclo de vida em C. riparius
(diminuição do crescimento larvar e atraso no desenvolvimento).
Estes efeitos foram assim relacionados com a maior ingestão de
microplásticos, quando comparada com a ingestão observada em L.
variegatus, que somente apresentou sinais ligeiros de stress oxidativo
e ausência de efeitos na reprodução.
A espécie mais sensível, Chironomus riparius, foi então exposta a
microplásticos em combinação com diversos stressores naturais. Os
stressores naturais escolhidos foram a temperatura, salinidade e
limitação da disponibilidade de alimento, sendo estes relevantes em
cenários de alterações climáticas, e capazes de alterar a ingestão e
consequentemente os efeitos provocados pelos microplásticos. Os resultados demonstram que as interações decorrentes da exposição conjunta de microplásticos com os stressores naturais são
complexas, sendo que os efeitos observados foram maioritariamente
aditivos ou antagonísticos. Contudo, sob determinadas condições
como baixa temperatura e significativa limitação da disponibilidade de
alimento, os efeitos sub
-letais dos microplásticos nas populações
naturais de C. riparius poderão ser mais severos que o previsto pelos
ensaios ecotoxicológicos padronizados.
Estes efeitos combinados revelaram ainda, que sob determinadas
condições ambientais, os efeitos tóxicos dos microplásticos poderão
não ser simplesmente um reflexo das concentrações de
microplásticos encontrada
s no interior dos organismos.
A avaliação dos efeitos ecológicos da exposição a microplásticos é
possivelmente
, a principal lacuna que subsiste na investigação.
Assim, esta tese procurou colmatar essa lacuna, com recurso a um
ensaio usando rios artificiais (mesocosmos), em que foram estudados
os efeitos na estrutura da comunidade de invertebrados bentónicos,
bem como nas funções providenciadas
pelo ecossistema, vitais para
uma melhor avaliação de risco. Esta abordagem demonstrou que a
exposição a microplásticos de polietileno de diversos tamanhos afetou
a estrutura da comunidade, sobretudo através da redução da
abundâ
ncia de invertebrados coletores de depósito e raspadores. A
ingestão de microplásticos
pelos diferentes grupos funcionais de
invertebrados correlacionou
-se positivamente com os efeitos, uma vez
que coletores de depósito e raspadores apresentaram o maior número
de microplásticos no seu interior
. Foi ainda observada uma ligeira
redução na produção primária que poderá estar relacionada com um
efeito direto dos microplásticos no crescimento do perifíton. De igual
modo, observou
-se apenas uma ligeira redução na decomposição da
folhada, sendo este efeito indicativo de que a exposição a
microplásticos de polietileno poderá não afetar significativamente o
comportamento alimentar dos fragmentadores, ou em alternativa o
tempo de exposição poderá ter sido demasiado curto para que estes
efeitos indiretos se possam ter manifestado.
Em conclusão, a presente tese demonstra que os microplásticos
podem ser ingeridos pelos macroinvertebrados de água doce
e
representar um risco para as populações naturais. Apesar de se ter
verificado uma considerável variação interespecífica na sensibilidade
aos microplásticos de polietileno, a sua presença nos sedimentos
pode alterar a estrutura das comunidades de macroinvertebrados
bentónicos e alterar o funcionamento dos ecossistemas
a longo prazo.
A presente tese comprova também que a resposta imune e o stress
oxidativo são eventos
-chave de início a nível molecular na toxicidade
dos microplásticos, e demonstra que a avaliação das concentrações
internas dos microplásticos é crucial para uma correta avaliação dos
efeitos nos organismos. Salienta
-se ainda a necessidade da
incorporação de mais espécies de invertebrados, assim como, de
cenários relevantes de exposição para uma avaliação de risco mais
precisa dos microplásticos nos ecossistemas dulçaquícolas.Programa Doutoral em Biologia e Ecologia das Alterações Globai
