Hediste diversicolor as a biological model for the study of the effects of nanoplastics

Abstract

Plastics became ubiquitous in marine environments and have been considered emerging contaminants of concern. Oceans and coastal environments concentrate plastic debris, which ultimately can sediment due to factors like biofouling processes. Nonetheless, only a limited number of studies have focused on invertebrates and nanoplastics (defined as particles of sizes smaller than 100 nm). Polychaetas are important benthic species that influence the biogeochemical cycle of nutrients and the availability of contaminants. They are key species in estuarine ecosystems, usually living in the sediments and being exposed to the contaminants present in the sediments and in the pore water. Considering the need for more information on the potential environmental consequences of nanoplastics and sensitivity and ecological relevance of Hediste diversicolor, this dissertation aimed to study the effects of nanoplastics on this species. Thus, the first task of this dissertation included a review of the literature focusing on the effects of pharmaceutical drugs, nanoparticles and plastics in H. diversicolor. After the literature review, the behavior and distribution of polystyrene nanoplastics (100 nm) (PS NPs) in seawater were assessed, as well as the effects on behavior, biochemical endpoints and regenerative capacity of the polychaeta H. diversicolor. Overall, the results demonstrated that PS NPs tended to aggregate/agglomerate and sediment in seawater making them more available to benthic organisms. H. diversicolor, exposed to PS NPs for 28 days via water, presented altered burrowing activity and biochemical endpoints, like cholinesterase (ChE) activity, mainly at lowest concentrations tested (0.005-0.5 mg/L). The detected alterations in behavior may have ecological consequences affecting nutrient cycling as well as have an impact on intra-sediment fauna. Oxidative damage like protein carbonylation was observed, demonstrating a higher sensitivity to PS NPs contamination than lipid peroxidation (LPO). Exposure to PS NPs also demonstrated that these particles compromise the regenerative capacity of H. diversicolor, mainly at higher concentrations (0.05-5 mg/L), where organisms regenerated less than control (between 23.8 and 28.9%). This effect may have impacts on population maintenance, since Organisms may prioritize regeneration over reproduction. Overall, the data obtained in this dissertation demonstrates that NPs may have a considerable impact on benthic organisms, emphasizing the need of further studies aiming to assess the potential effects and mechanisms of action of these particles in organisms at the base of food webs. The consequences of the presence of NPs may be considerably higher considering that these particles have been demonstrated to play a “trojan horse” effect promoting the incorporation of other environmental pollutants.

Os plásticos tornaram-se ubíquos em ambientes marinhos e são considerados um dos mais preocupantes contaminantes emergentes atualmente. Os oceanos e ecossistemas costeiros concentram detritos plásticos, que em última instância sedimentam devido a processos de biofouling. No entanto, apenas um número restrito de estudos se debruçaram sobre os efeitos de nanoplásticos (definidos como partículas com tamanho inferiores a 100 nm) em invertebrados marinhos. Os poliquetas são importantes espécies bentónicas que influenciam o ciclo biogeoquímico de nutrientes e a disponibilidade de contaminantes. Estes organismos são espécies-chave em ecossistemas estuarinos e normalmente habitam em sedimentos, estando desta forma expostos a contaminantes presentes na água e nos sedimentos. Tendo em conta a necessidade de haver mais estudos no que diz respeito às potenciais consequências ambientais dos nanoplásticos e a sensibilidade e relevância ambiental do poliqueta Hediste diversicolor, esta dissertação teve como objetivo estudar os efeitos de nanoplásticos nesta espécie. Por conseguinte, a primeira tarefa desta dissertação incluiu uma revisão da literatura cujo foco foram os efeitos de fármacos, nanopartículas e plásticos em H. diversicolor. Após a revisão da literatura, foram analisados o comportamento e distribuição de nanoplásticos de polistireno (PS NPs) (100 nm) em água salgada, bem como os efeitos destas partículas ao nível do comportamento, parâmetros bioquímicos e capacidade de regeneração em H. diversicolor. No geral, os resultados demonstraram que os PS NPs tenderam a agregar/aglomerar e sedimentar em água salgada, tornando-os mais disponíveis para organismos bentónicos. Após 28 dias de exposição de H. diversicolor a PS NPs, os organismos demonstraram alterações comportamentais e em parâmetros bioquímicos, como a atividade da enzima colinesterase (ChE), principalmente nas concentrações mais baixas (0.005-0.5 mg/L). As alterações nos padrões comportamentais podem ter consequências ecológicas que afetam o ciclo de nutrientes e a fauna bentónica. Foram ainda observados danos relacionados com o stress oxidativo, como a carbonilação proteica, que demonstrou uma maior sensibilidade à contaminação por PS NPs do que a peroxidação lipídica (LPO). A exposição a PS NPs demonstrou que estas partículas comprometem significativamente a capacidade de regeneração de H. diversicolor, especialmente nas concentrações mais altas (0.05-5 mg/L), onde os organismos regeneraram 23.8 a 28.9% menos que o controlo. Este efeito pode ter impactos na manutenção da população, uma vez que os organismos podem priorizar a regeneração à reprodução. Globalmente, os dados obtidos nesta dissertação demonstram que os NPs podem ter impactos consideráveis em organismos bentónicos, enfatizando a necessidade de se efetuar mais estudos com o objetivo de avaliar os potenciais efeitos e mecanismos de ação destas partículas em organismos na base de teias tróficas. As consequências da presença destas partículas poderão ser consideravelmente mais elevadas tendo em conta que estas partículas já demonstraram ter efeitos de “cavalo de Troia”, promovendo a incorporação de outros poluentes ambientais.