Microplastics in freshwater systems: characterization, quantification and interaction with aquatic organisms

Among the multiple stressors that affect aquatic ecosystems, plastic pollution is deemed a widespread and pervasive environmental issue. The majority of the research has been conducted in marine environments and information about the occurrence and effects of these pollutants in freshwater systems is scattered. Moreover, there is a lack of consensus on sampling and analytical procedures for their characterization and quantification, which makes comparison among studies difficult. Besides, more research is needed to assess the influences of plastics and microplastics on ecosystem functions and aquatic organisms, especially focusing on lower trophic levels. Given these gaps, the present project describes four pieces of work that contribute to enhancing our knowledge about plastics and microplastics in freshwater ecosystems. Firstly, since polymer identification constitutes a fundamental step in plastic analysis, the suitability of Raman spectroscopy for polymeric characterization was examined, and a free database with Raman spectra of plastics complemented by a new R package with tools for their processing were developed and described. Advantages and drawbacks of this technique were discussed, with a particular emphasis on plastic additives, which are contained in the majority of polymers but are still poorly investigated, and a catalog with detailed information about peaks of most common plastic polymers was reported to provide guidance for further studies. Secondly, microplastic occurrence in surface water of different freshwater systems was assessed. Indeed, water samples of 38 lakes from 28 different countries covering an assortment of limnologically diverse freshwater ecosystems under varying levels of anthropogenic stress were collected, following a common protocol. This global investigation allowed obtaining comparable data about plastic concentration and features. Moreover, the results suggested the existence of a relationship between urban-related attributes of lakes/watersheds and the plastic concentration but also highlighted as large and deep lakes with high retention times accumulated plastic debris at higher concentrations. Lastly, the relationship between microplastics and microalgae was investigated. This was pursued by combining a critical review of the literature with an experimental approach aimed at analyzing the phytobenthos establishment on two different plastic polymers using a multi-site mesocosm system. This experiment highlighted that microplastics supported the growth of a rich and diversified community of microalgae, showing that many species could coexist on the surface of relatively small plastic items. Species-specificity in the colonization of the different plastic polymers was not observed. Indeed, local species pool and nutrient concentration rather than polymeric composition seemed to be the determinant factors defying the community diversity.

Gli ecosistemi acquatici risentono di differenti impatti antropici. Tra questi, la presenza di plastiche e microplastiche rappresenta una problematica ambientale diffusa. La maggior parte delle ricerche svolte fino ad ora si è concentrata specialmente sull’ambiente marino e le informazioni riguardanti la presenza e gli effetti di questi contaminanti nei sistemi di acqua dolce sono limitate. Inoltre, non esiste ancora nella comunità scientifica un’armonizzazione delle procedure di campionamento e dei protocolli analitici per la caratterizzazione e quantificazione delle plastiche in ambiente acquatico. Questo rende il confronto dei dati ottenuti da ricerche differenti complesso. Oltre a questi aspetti, sono necessari ulteriori studi per comprendere l’influenza che le (micro)plastiche possono esercitare sugli organismi e sul funzionamento degli ecosistemi acquatici. In particolare, le informazioni relative agli effetti sugli organismi dei più bassi livelli trofici sono molto limitate. Dato questo contesto, nella presente tesi di dottorato sono illustrati quattro lavori che hanno contribuito ad aumentare le informazioni disponibili sulle (micro)plastiche in ambienti di acqua dolce. Il primo lavoro si è concentrato sull’utilizzo della micro-spettroscopia Raman per l’identificazione della composizione polimerica dei materiali plastici, la cui determinazione è fondamentale per una corretta e adeguata caratterizzazione di questi inquinanti. Al fine di aumentare le conoscenze relativamente a questa tecnica, è stato sviluppato e descritto un database, liberamente fruibile, di spettri di diversi polimeri plastici ed additivi che possono essere comunemente individuati in ambiente. Inoltre, è stato anche sviluppato un nuovo pacchetto in R che fornisce diversi strumenti per l’analisi e l’identificazione di spettri. I vantaggi e gli svantaggi della spettroscopia Raman sono stati evidenziati e sono state fornite utili indicazioni per studi futuri. Il secondo lavoro si è invece concentrato sulla determinazione e caratterizzazione di plastiche e microplastiche nelle acque superficiali di laghi di diverse regioni del mondo. Infatti, sono stati analizzati campioni provenienti da 38 laghi (distribuiti in 28 Stati), selezionati in modo da essere rappresentativi di diverse condizioni limnologiche e differente grado di impatto antropico. I campioni sono stati prelevati seguendo una procedura standardizzata che ha permesso di ottenere in questo modo dati realmente confrontabili. Con questo dataset globale sono state valutate non solo le concentrazioni ma anche le caratteristiche delle particelle plastiche. Inoltre, l’analisi dei dati ha permesso di evidenziare la presenza di una relazione positiva tra la concentrazione di (micro)plastiche e attributi del bacino idrografico, espressione di impatto antropico. Oltre a ciò, è stato evidenziato come laghi profondi, con estesa area superficiale ed elevato tempo di ritenzione delle acque tendano ad accumulare un numero maggiore di microplastiche. Nell’ultima parte della tesi, è stata invece investigata la relazione tra microplastiche e microalghe. Questo argomento è stato approfondito attraverso un duplice approccio: dapprima è stata svolta un’estesa ricerca bibliografica e successivamente è stata condotta una sperimentazione in mesocosmi per valutare la colonizzazione di diversi polimeri plastici in ambienti con differenti caratteristiche chimico-fisiche e ambientali. Questo esperimento ha permesso di evidenziare come le microplastiche siano in grado di supportare la crescita di molte e diverse specie microalgali. Non è stata però evidenziata una specificità nella colonizzazione di polimeri differenti. Infatti, è stato mostrato come, non la composizione polimerica del substrato, ma le specie esistenti nei diversi mesocosmi e le differenti condizioni ambientali rappresentino i principali fattori che determinano ed influenzano la composizione specifica del biofilm algale.