The impact of nanoplastics in marine invertebrates: biochemical and behavioural responses

Abstract

Plastics began being a threat to the marine environment, with its mass-production. Reaching from various sources, plastics have been released into the environment and became a concern since they are persistent contaminants. Once present in the environment, these can migrate, break and sink. Nanoplastics (NPs) are plastic particles in the nanoscale and constitute a major threat to oceans and their organisms, as the ability to penetrate biological membranes and interact with other contaminants increases with the decrease in particle size. Regardless of how these enter the marine environment, either from breakage or in nano sizes, these contaminants’ final destiny is mainly the oceans, where they can be dispersed, interact with marine biota, aggregate, move with the currents, and accumulate in the sediments. There are several types of plastic polymers, with different characteristics and applications, such as poly(methyl)methacrylate (PMMA), a polymer often used due to its resemblance to glass and resistance, with applications ranging from industry to biomedical applications. Despite the varied uses, little is known about the effects of PMMA NPs on organisms and the environment. The polychaete Hediste diversicolor and the shore crab Carcinus maenas, are part of the benthic community and are key species in the marine food web and nutrient cycle. Although often used in ecotoxicological studies, there is still a gap in the knowledge of the effects of NPs on these species. Thus, this dissertation aims to evaluate the effects of PMMA NPs on H. diversicolor, assessing the role of life stage (juveniles and adults) against contamination, and the shore crab C. maenas, evaluating behavioural and biochemical (neurotransmission, energy reserves, antioxidant defences and oxidative damage) alterations in the organisms after short-term exposure (10 days). Polychaetes were exposed via spiked sediment (between 0.5 and 128 mg PMMA NPs/Kg sediment) and crabs were exposed to contamination via water (between 5 and 320 μg PMMA NPs/L). The results showed that H. diversicolor is sensitive to the presence of PMMA NPs. Burrowing behaviour in juveniles was altered, with an increase of burrowing time in all PMMA concentrations tested in clean sediment and in 32 and 128 mg PMMA NPs/Kg sediment in the organisms tested in contaminated sediment, and there was an increase in acetylcholinesterase (AChE, a neurotoxicity biomarker) activity, suggesting activation of possible cell apoptosis. In adults, burrowing activity was less affected, with alterations only detected in the concentrations 8, 32 and 128 mg PMMA NPs/Kg sediment in tests with clean sediment and 128 mg PMMA NPs/Kg sediment in contaminated sediment. However, AChE activity, in this life stage, decreased in all concentrations except 2 mg PMMA NPs/Kg sediment, suggesting an incapacity to burrow in organisms exposed to PMMA NPs concentrations. Both life stages activated their defences, however, in juveniles, oxidative damage was verified. The shore crab C. maenas showed sensibility to the presence of PMMA NPs. ChE activity decreased with the PMMA NPs concentration, suggesting neurotoxicity. In gills, defences were only activated in the concentration 20 μg PMMA NPs/L, however, there was an increase in GSTs activity in all PMMA NPs concentrations. In hepatopancreas, more PMMA NPs concentrations lead to defence mechanisms activation, with the increase of SOD activity in the concentrations 5, 20, and 80 μg PMMA NPs/L, however, GSTs activity presented no change. Despite this, both tissues suffered oxidative damage, with hepatopancreas as the tissue more affected. Overall, both organisms were negatively affected by PMMA NPs exposure, emphasising the importance of studies performed with NPs in benthic organisms, with consideration to different life stages and different tissues.

Os plásticos começaram a tornar-se numa ameaça para o ambiente marinho com a sua produção em massa. Provenientes de várias fontes, os plásticos têm sido libertados no ambiente e tornaram-se uma preocupação, uma vez que são contaminantes persistentes. Uma vez inseridos no ambiente, estes podem migrar, degradar-se a afundar-se. Os nanoplásticos (NPs) são partículas de plástico de escala nanométrica e constituem uma grave ameaça para os oceanos e os seus organismos, visto que a capacidade que estas partículas têm em penetrar as membranas biológicas e de interagir com outros contaminantes aumenta com o decréscimo do tamanho. Independentemente da forma como entram no ambiente aquático, quer por degradação de partículas maiores quer por libertação já em nano-escala, o destino final é maioritariamente o oceano, onde podem ser dispersos, interagir com biota, agregar-se, e sedimentar nos sedimentos onde se podem acumular. Existem vários tipos de polímeros com várias características e aplicações diferentes, entre os quais polimetilmetacrilato (PMMA), um polímero muito usado pelas suas semelhanças ao vidro e elevada resistência, com aplicações desde a indústria à biomedicina. Apesar dos usos variados, pouco se sabe sobre os possíveis efeitos que PMMA NPs poderão ter nos organismos e no ambiente. O poliqueta Hediste diversicolor e o caranguejo Carcinus maenas são parte da comunidade bentónica e são espécies chave na teia alimentar marinha e no ciclo de nutrientes. Apesar de serem usados frequentemente em estudos ecotoxicológicos, há uma falha no conhecimento relativamente aos efeitos de NPs nestas espécies. Assim, esta dissertação tem como objetivo avaliar os efeitos de PMMA NPs em H. diversicolor, avaliando a fase de desenvolvimento do poliqueta (juvenis e adultos) face à contaminação, e em caranguejos da espécie C. maenas, avaliando alterações comportamentais e bioquímicas (neurotransmissão, reservas de energia, defesas antioxidantes e dano oxidativo) dos organismos após exposições de curta duração (10 dias). Assim, as poliquetas foram expostas via sedimento contaminado (entre 0,5 e 128 mg PMMA NPs/Kg sedimento) e o caranguejo a água contaminada (entre 5 e 320 μl PMMA NPs/L). Os resultados mostraram que H. diversicolor é sensível à presença das partículas de PMMA no sedimento. O comportamento de enterramento nos juvenis foi afetado, com um aumento significativo no tempo de enterramento em todas as concentrações nos testes com sedimento limpo e nas concentrações 32 e 128 mg PMMA NPs/Kg sedimento nos organismos testados em sedimento contaminado, e a atividade da acetilcolinesterase (AChE biomarcador de neurotoxicidade) aumentou, sugerindo possível ativação de apoptose celular. Os adultos foram menos sensíveis em termos de alterações comportamentais, sendo que os organismos demoraram significativamente mais tempo para se enterrarem nas concentrações 8, 32 e 128 mg PMMA NPs/Kg sedimento nos testes em sedimento limpo e na concentração 128 mg PMMA NPs/Kg sedimento nos testes com sedimento contaminado. No entanto a atividade da AChE, nesta fase de vida, diminui em todas as concentrações exceto 2 mg PMMA NPs/Kg sedimento, sugerindo uma incapacidade de enterramento nos organismos expostos às concentrações de PMMA NPs. Ambas as fases de vida ativaram as suas defesas, no entanto, nos juvenis, foi detetado mais dano oxidativo. O caranguejo C. maenas mostrou-se sensível à presença dos PMMA NPs. A atividade da enzima ChE diminuiu com as concentrações de PMMA NPs, sugerindo neurotoxicidade. Nas branquias, as defesas foram ativadas apenas na concentração 20 μg PMMA NPs/L, no entanto, verificou-se um aumento da atividade das GSTs em todas as concentrações de PMMA NPs. No hepatopâncreas, mais concentrações despoletaram a ativação de mecanismos de defesa, com o aumento da atividade da SOD nas concentrações 5, 20 e 80 μg PMMA NPs/L, no entanto, não houve ativação da enzima das GSTs. Apesar disso, ambos os tecidos sofreram danos oxidativos, sendo o hepatopâncreas o tecido mais afetado. De um modo geral, ambos os organismos foram negativamente afetados pela exposição a PMMA NPs enfatizando a importância do estudo dos efeitos de NP em organismos bentónicos, tendo em conta fases de vida dos organismos e avaliando efeito em diferentes tecidos.