Interaction between microplastics and pollutants in the aquatic environment and their ecotoxicological effects | Interação entre microplásticos e poluentes no ambiente aquático e seus efeitos ecotoxicológicos

Microplastics (MPs) are one of the main contributors to the global pollution of rivers and seas. These emerging pollutants can interact with and concentrate other chemical pollutants present in the water, with reported effects to aquatic organisms. The aim of this thesis was to study the interaction between the MPs and different pollutants (organic compounds and metals) in the aquatic environment and their potential ecological impact. For that, the conditions that affect the adsorption process between the pollutants, the real metal contamination in plastics collected from beaches, and the potential impact on organisms (bioaccumulation and toxicity) were investigated. In laboratory, MPs with environmentally relevant traits (polypropylene and polyethylene with 10-15 μm of mean particle size) were tested. Through the adsorption kinetics study with fluoranthene, a persistent organic pollutant, it was possible to identify the higher influence of MPs characteristics, rather than environmental parameters. Environmentally, metal(oid)s with maximum levels from 1.09 x 10 to 1.11 x 10⁵ μg/g were quantified in plastics with diverse characteristics and sampled from different Spanish beaches, which were highly concentrated in the severely degraded polymers with a high adsorption capacity. High levels of iron (Fe), lead (Pb) and zinc (Zn) in the plastics reflected the local contamination with former mining exploitation of these elements, suggesting the potential of (micro)plastics as monitors of marine pollution. Furthermore, it was found that MPs allowed the accumulation of a noble metal emerging in the environment, palladium (Pd), in the mediterranean mussel Mytilus galloprovincialis, 2-3 times higher than when the metal was dissolved in seawater. On the other hand, besides the mortality observed in the embryos of the freshwater fish Danio rerio caused by their exposure to the MPs, when in co-exposure with the organic compound fluoranthene, the toxicity was alleviated due to the interaction of the pollutants. Therefore, this thesis contributed with evidence of the adsorption capacity of MPs, both pristine and environmentally exposed, and with a high diversity of characteristics, towards interaction with other toxic pollutants in the aquatic environment, under the influence of different abiotic parameters. In addition, the presence of MPs impacted the organisms from fresh- and seawater, either by bioaccumulation of pollutants or toxic effects, with different outcomings observed. This demonstrates the complexity of this phenomenon and the need of further investigation.

Os microplásticos (MPs) têm resultado numa das maiores contribuições para a poluição mundial de rios e oceanos. Estes poluentes emergentes são capazes de interagir com e concentrar outros poluentes químicos presentes na água, com efeitos reportados em organismos aquáticos. O objetivo desta tese consistiu em estudar a interação entre os MPs e diferentes poluentes (compostos orgânicos e metais) no meio aquático e o seu potencial impacto ecológico. Para o efeito, investigou-se as condições que afetam o processo de adsorção entre os poluentes, a real contaminação por metais em plásticos recolhidos de praias, e o seu potencial impacto nos organismos (bioacumulação e toxicidade). Em laboratório, foram testados MPs com características ambientalmente relevantes (polipropileno e polietileno com 10- 15 μm de tamanho médio de partícula). Através do estudo de cinéticas de adsorção do fluoranteno, um poluente orgânico persistente, foi possível identificar a maior influência das características dos MPs (tamanho e concentração) no processo, comparativamente a parâmetros ambientais. A nível ambiental, metais e metalóides com níveis máximos entre 1.09 x 10 e 1.11 x 10⁵ μg/g foram quantificados em plásticos com diversas características recolhidos de diferentes praias da costa espanhola, concentrando-se especialmente nos polímeros severamente degradados e com maior capacidade de adsorção. Elevados níveis de ferro (Fe), chumbo (Pb) e zinco (Zn) nos plásticos refletiram a contaminação local com anterior exploração mineira destes elementos, sugerindo o potencial dos (micro)plásticos para a monitorização de poluição marinha. Descobriu-se ainda que os MPs permitiram a maior acumulação de um metal nobre e emergente no ambiente, o paládio (Pd), no mexilhão do mediterrâneo Mytilus galloprovincialis, duas a três vezes mais do que quando exposto dissolvido em água do mar. Por outro lado, e apesar da mortalidade observada em embriões do peixe de água doce Danio rerio causada pela sua exposição aos MPs, quando em co-exposição com o composto orgânico fluoranteno, também tóxico para os organismos, a toxicidade diminuiu devido à interação entre os poluentes. Assim, esta tese contribuiu com evidências da capacidade de adsorção dos MPs, pristinos e ambientais, com diversas características, em interagir com outros poluentes tóxicos no ambiente aquático, sob a influência de diferentes parâmetros abióticos. Para além disto, a presença dos MPs teve impacto nos organismos de ecossistemas de água doce e salgada, quer na bioacumulação de poluentes quer nos seus efeitos tóxicos associados, com diferentes resultados observados, demonstrando a complexidade deste fenómeno e a necessidade de mais investigação.

Programa Doutoral em Ciência, Tecnologia e Gestão do Mar