Development of analytical methodologies and toxicity testing of microplastics (METOXPLAS)

Abstract

Microplastics (MP) are a class of anthropogenic contaminants comprising plastic <5 mm, which persist and pervade the environment, interacting with abiotic and biotic systems. Due to their diversity, the array of interactions, and lacking standardized methodologies, many knowledge gaps remain unaddressed despite the growth of published research. In aquatic systems, research in seawater, where MP were first found, is favored over freshwater environments under higher anthropogenic pressures. There is a need to determine the effects of current environmental concentrations of MP in aquatic ecosystems, especially in freshwater ecosystems, to which this PhD contributed. However, to conduct ecotoxicity testing, there was the need to reliably determine the environmental concentrations of MP in biota and environmental matrices. This, in turn, required method development, considering the lack of standardization and methods capable of sampling small particle sizes (1 – 100 μm). Suspected MP ≥1 μm, underestimated by most common methods (e.g., visual inspection following manta trawl sampling), were successfully screened based on Nile Red staining at a low-cost and low equipment needs, with the advantage of improving sample throughput in micro-Raman spectroscopy. Sample collection and preparation methods were developed for water and biologic samples, such as removing stainable biological organic matter appropriately. Application of the developed methods to aquatic vertebrates (i.e., marine fish) allowed screening of suspected MP in internal tissues, primarily 1 – 20 μm, suggesting internalization following environmental exposure. Suspected MP were found in aquatic ecosystems, including median concentrations of 231 MP L−1 in the Douro River near Porto. Significant effects on the microalgae Raphidocelis subcapitata (72 h, growth promotion and inhibition) and Danio rerio embryos (96 h, decrease in body length and heart rates) were found in ecotoxicity assays in concentrations ≥ 2,000 MP L−1. Thus, aquatic ecosystems can be threatened by small MP (1 – 100 μm), considering the wide ranges of concentrations, heterogeneous distribution, and long-term accumulation, being internalized and inducing adverse effects in organisms.

Os microplásticos (MP) são uma classe de contaminantes antropogénicos compostos por plásticos <5 mm, que persistem e permeiam o meio ambiente, interagindo com sistemas abióticos e bióticos. Devido à sua diversidade, ao conjunto de interações e à falta de metodologias padronizadas, permanecem lacunas de conhecimento apesar do crescente número de publicações científicas. Em sistemas aquáticos, a investigação em água do mar, onde os primeiros MP foram encontrados, é favorecida em relação a ambientes dulçaquícolas sob pressões antropogénicas mais elevadas. Existe a necessidade de determinar os efeitos das atuais concentrações ambientais de MP em ecossistemas aquáticos, especialmente nos dulçaquícolas, sendo esta uma das contribuições deste doutoramento. No entanto, para a realização de testes de ecotoxicidade, existe a necessidade de determinar com confiança as concentrações ambientais de MP nos organismos e matrizes ambientais. Isso, consequentemente, exigiu o desenvolvimento de métodos, considerando a falta de padronização e de capacidade de amostrar partículas microscópicas (1 – 100 μm). MP suspeitos ≥1 μm, subestimados pelos métodos mais comuns (e.g., amostragem por manta trawls seguida de inspeção visual), foram selecionados com base na coloração do Vermelho do Nilo, com baixo custo e baixa necessidade de equipamento e com a vantagem de melhorar o desempenho da microespectroscopia de Raman. Métodos de colheita e preparação de amostras foram desenvolvidos para água e amostras biológicas, incluindo a remoção de matéria orgânica biológica corável. A aplicação dos métodos desenvolvidos a vertebrados aquáticos (i.e., peixes marinhos) permitiu a deteção de MP suspeitos em tecidos internos, particularmente 1 – 20 μm, sugerindo internalização após exposição ambiental. MP suspeitos foram encontrados em ecossistemas aquáticos, incluíndo concentrações medianas de 231 MP L−1 no rio Douro perto do Porto. Efeitos significativos sobre a microalga Raphidocelis subcapitata (72 h, inibição e promoção do crescimento) e embriões de Danio rerio (96 h, redução do comprimento e batimento cardíaco) foram observados em ensaios de ecotoxicidade em concentrações ≥ 2,000 MP L−1. Assim, os ecossistemas aquáticos podem ser ameaçados por MP pequenos (1 – 100 μm), considerando a variação de concentrações, distribuição heterogénea, e acumulação a longo-prazo, sendo internalizados e induzindo efeitos adversos nos organismos.