Evaluation of the interactive effects of metals and nanoparticles of the biopolymer polyhydroxybutyrate on Hydra viridissima

Abstract

The use of bioplastics emerged as a promising solution to mitigate the issue of plastic pollution stemming from traditional plastics. However, bioplastics share several attributes with their conventional counterparts, notably the ability to degrade into nano-sized particles (NPLs) and the potential to adsorb environmental contaminants, such as metals. The initial objective of this study involved conducting a comprehensive review of the existing literature on co-exposure studies involving NPLs and metals/metalloids in freshwater organisms. This review revealed that existing studies have focused predominantly on specific types of NPLs and metals, often neglecting the diversity of polymers and environmental conditions, while underlining the need to generate more data covering different organisms, polymer types, and the standardization of research methods. Based on the literature review, this dissertation aimed to fill the prevailing knowledge gaps regarding the ecotoxicity of biopolymer nanoparticles alone in short- and long-term exposures, or in combination with metals. Thus, the ecotoxicity of nano-sized particles (~200 nm) of the biopolymer polyhydroxybutyrate (PHB) on the freshwater cnidarian Hydra viridissima was assessed in individual short and long-term exposures, and in combination with three metals (cadmium - Cd, copper - Cu and zinc - Zn). The assays conducted with ~200 nm PHB-NPLs tested a range of concentrations from 0.001 to 10 mg/L. Following a thorough assessment of several parameters related to the fitness and performance of H. viridissima, the study confirmed the non-toxic or low-toxic nature of PHB-NPLs. Following the primary aim of this work, a co-exposure study was conducted to uncover potential synergistic or antagonistic effects that arise from the combination of Cd, Cu, and Zn with PHB-NPLs. The findings revealed significant variability in the interactions between PHB-NPLs and metals, adding to the complexity of establishing consistent patterns concerning mortality, morphological changes, and feeding behavior. PHB-NPLs were demonstrated to modulate the toxicity of Cd, Cu, and Zn. Hence, adopting a comprehensive approach to investigating bioplastics, metals, and their combined effects allows for a deeper comprehension of their environmental impact and guides future strategies for sustainable management. Nevertheless, it is important to expand the scope and depth of research activities in the future.

O uso de bioplásticos surgiu como uma alternativa viável para mitigar o problema da poluição por plásticos resultante dos plásticos tradicionais. No entanto, os bioplásticos partilham vários atributos com os seus homólogos convencionais, nomeadamente a capacidade de se degradarem em partículas de dimensão nanométrica (NPLs) e o potencial para adsorverem contaminantes presentes no ambiente, como os metais. O primeiro objetivo deste trabalho consistiu numa revisão da literatura existente sobre estudos de co-exposição envolvendo NPLs e metais/metaloides em organismos de água doce. Esta revisão revelou que os estudos existentes se concentraram predominantemente em tipos específicos de NPLs e metais, negligenciando a diversidade de polímeros e condições ambientais, enquanto sublinha a necessidade de gerar mais dados abrangendo diferentes organismos, tipos de polímeros e a padronização de métodos de investigação. Face à análise da literatura, a presente dissertação teve como objetivo colmatar lacunas de conhecimento existentes no que respeita à ecotoxicidade de nanopartículas de biopolímeros isoladamente ou em combinação com metais. Deste modo, a ecotoxicidade de partículas de dimensão nanométrica (~200 nm) do biopolímero polihidroxibutirato (PHB) no cnidário de água doce Hydra viridissima foi avaliada em exposições individuais de curta e longa duração, e em combinação com três metais (cádmio – Cd, cobre – Cu e zinco – Zn). Os testes efetuados com PHB-NPLs de ~200 nm testaram uma gama de concentrações de 0.001 a 10 mg/L. Após a avaliação exaustiva de uma série de parâmetros relacionados com fitness e performance de H. viridissima, o estudo confirmou a natureza não tóxica ou pouco tóxica de PHB-NPLs. Atendendo ao objetivo principal deste trabalho, foi realizado um estudo de co-exposição para identificar potenciais efeitos sinérgicos ou antagónicos decorrentes da combinação de Cd, Cu e Zn com PHB-NPLs. Os resultados revelaram uma grande variabilidade nas interações entre os PHB-NPLs e os metais, o que aumenta a complexidade do estabelecimento de padrões consistentes relativos à mortalidade, alterações morfológicas e comportamento alimentar. Os PHB-NPLs demonstraram modular a toxicidade do Cd, do Cu e do Zn. Deste modo, a adoção de uma abordagem integrada para avaliar bioplásticos, metais e os seus efeitos combinados possibilita uma compreensão mais aprofundada do seu impacto ambiental e fornece diretrizes para futuras estratégias de gestão sustentável. Contudo, é importante alargar o âmbito e aprofundar a investigação sobre o tema.