Microplastics and their associated contaminants in the marine environment: from detection to the mechanisms of interaction with marine biota

The rapid rise in global plastic production, combined with inadequate plastic waste management, has escalated into a severe environmental crisis. Plastic now accounts for the majority of anthropogenic debris in marine environments, where its chemically engineered durability enables it to persist and integrate into ecosystems. This thesis addresses the pressing issue of plastic pollution in marine environments, highlighting key gaps in our understanding of microplastics' distribution and ecological impacts. Several key challenges are identified: 1. Lack of Standardization: The absence of standardized methods for detecting and quantifying microplastics complicates large-scale data comparisons and undermines effective policy-making. 2. Background Contamination: Controlling background contamination is essential, as it can lead to overestimation of microplastic concentrations in environmental samples. 3. Laboratory Limitations: Many laboratory studies are conducted under controlled conditions that do not accurately reflect the complexities and variability of real- world marine environments. This research aims to address these challenges by first validating and optimizing analytical methods capable of detecting microplastics as small as 25 μm, along with phthalic acid esters in marine invertebrates, expressing concentrations in meaningful units for cross-study comparability. To mitigate background contamination, the research was conducted in a clean room compliant with ISO 6 standards, ensuring minimal interference and the generation of reliable results. In addition to the prevailing belief that most plastic pollution stems from mismanaged waste, resulting in secondary microplastics formed from the degradation of larger items, recent research has increasingly highlighted that tire wear is also a major source of microplastics contributing to ocean pollution. In this thesis, we present results from experiments exposing two estuarine model species, the fish Menidia beryllina and the mysid shrimp Americamysis bahia, to an environmentally relevant multi-tire mixture provided by the U.S. Tire Manufacturers Association. This mixture incorporates a blend of three tire types - Passenger Car Tire, Light Truck Tire, and Truck/Bus Tire - in proportions reflective of those estimated in the U.S. To better simulate real-world conditions, we UV-weathered the mixture and compared the toxicity of pristine and weathered micro- (1-20 μm) and nano- (<1 μm) tire particles in both species. By addressing methodological challenges, enhancing the accuracy of microplastic assessments, and conducting laboratory experiments under realistic conditions, this work aims to improve monitoring, inform policy formulation, and develop effective strategies for mitigating plastic pollution in marine ecosystems.

Il rapido aumento della produzione globale di plastica, combinato con una gestione inadeguata dei rifiuti plastici, ha portato a una grave crisi ambientale. La plastica oggi costituisce la maggior parte dei detriti antropogenici negli ambienti marini, dove la sua resistenza chimicamente progettata le consente di persistere e integrarsi negli ecosistemi. Questa tesi affronta il problema urgente dell'inquinamento da plastica negli ambienti marini, evidenziando le principali lacune nella nostra comprensione della distribuzione e degli impatti ecologici delle microplastiche. Sono stati identificati diversi problemi chiave: 1) Mancanza di Standardizzazione: L'assenza di metodi standardizzati per rilevare e quantificare le microplastiche in ambiente complica il confronto dei dati su larga scala. 2) Contaminazione di Fondo: Controllare la contaminazione di fondo è essenziale, poiché può portare a una sovrastima delle concentrazioni di microplastiche nei campioni ambientali. 3) Limitazioni di Laboratorio: Molti studi di laboratorio vengono condotti in condizioni controllate che non riflettono accuratamente le complessità e la variabilità degli ambienti reali. Questa ricerca mira ad affrontare queste problematiche validando e ottimizzando innanzitutto metodi analitici in grado di rilevare microplastiche di dimensioni fino a 25 μm, insieme a ftalati in invertebrati marini, esprimendo le concentrazioni in unità di misura utili per la comparabilità tra studi. Per mitigare la contaminazione di fondo, questa ricerca è stata condotta in una camera pulita conforme agli standard ISO 6, garantendo interferenze minime e la generazione di risultati affidabili. Oltre alla convinzione diffusa che la maggior parte dell'inquinamento da plastica derivi da rifiuti gestiti in modo inadeguato, con conseguente formazione di microplastiche secondarie dalla degradazione di oggetti più grandi, ricerche recenti hanno sempre più evidenziato che anche l'usura degli pneumatici rappresenta una fonte significativa di microplastiche che contribuiscono all'inquinamento degli oceani. In questa tesi, presentiamo i risultati di esperimenti che espongono due specie modello estuarine, il pesce Menidia beryllina e il gamberetto mysid Americamysis bahia, a una miscela multi-pneumatico ecologicamente rilevante fornita dall'U.S. Tire Manufacturers Association. Questa miscela incorpora un mix di tre tipi di pneumatici, pneumatici per automobili, pneumatici per furgoni leggeri e pneumatici per camion/autobus, nelle proporzioni riflettenti quelle stimate negli Stati Uniti. Per simulare meglio le condizioni reali, abbiamo sottoposto la miscela a un trattamento di invecchiamento UV e abbiamo confrontato la tossicità delle micro- (1-20 μm) e nano- (<1 μm) particelle di pneumatico invecchiate e non in entrambe le specie. Affrontando le sfide metodologiche, migliorando l'accuratezza delle valutazioni delle microplastiche e conducendo esperimenti di laboratorio in condizioni realistiche, questo lavoro si propone di migliorare il monitoraggio, informare la formulazione delle politiche e sviluppare strategie efficaci per mitigare l'inquinamento da plastica negli ecosistemi marini.