Microplastics and marine organisms interactions: development and application of microlitter determination analytical protocols
Author(s)
Bianchi, Jessica
Date Issued
May 14, 2021
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Plastic waste contamination of marine environment is an issue of increasing concern throughout the world. A range from 1.5% to 4% of the global plastic production (322 million tonnes) is estimated to end into the oceans every year (COM/2018/028). This means that a range between 5 and 13 million tonnes of plastics are dispersed globally in the seas and oceans every year.
To develop an effective risk management strategy and to identify the sources of plastic contamination, it is a priority to classify the different types of plastic dispersed at sea, as well as to describe their interactions with marine life. The New European Commission Decision (2017/848/EU) requires Member States to collect standardized information on the ingestion of microplastics by marine organisms, yet no common protocol or shared target species at Community level have been agreed.
The aim of this research was to investigate the phenomena of microlitter ingestion by fish. Two widespread analytical protocols were selected and compared to apply to two case studies to investigate the ingestion of microplastics by different fish species. A new analytical protocol was subsequently developed. This provided an international tool for implementing the D10 Descriptor (Marine Litter) of the Marine Strategy Framework Directive.
The first case study analysed microplastic ingestion by three deep-water elasmobranch species (Galeus melastomus, Scyliorhinus canicula and Etmopterus spinax) from the Tyrrhenian Sea, discriminating between stomach and intestine contents. The absence of significant differences in frequency and abundance of plastic items into stomachs suggested that ecological diversity among these three shark species did not strongly influence the probability of plastic ingestion in the study area. On the other hand, the detected differences in the microplastic contents into the intestine might be due to a different retention time of microplastics, suggesting how feeding habits could influence metabolic features, and therefore could affect the recovery of ingested plastic items. All the three examined elasmobranch species can give important information even with relatively small sample sizes, and they could be used as target species for monitoring microliter ingestion in deep-water habitats.
The second case study is the first report of microplastic ingestion by Boops boops from the Tyrrhenian and the Ligurian Seas (Western Mediterranean Sea). We analysed the relationships among biological parameters and environmental factors. The bogues were collected in three Italian regions, subject to different anthropogenic pressures (which we identified as river input, human population, shipping lanes and distance from the coast).
Microplastics were detected in the gastrointestinal tract of most individuals (56%) with a mean (±sd) of 1.8 (±0.2) microplastics per individual. We confirmed this species is able to highlight
differences in the ingestion of microplastics according to local anthropization. From our sampling data, Latium region seems to be the most polluted region. This study confirmed also that an extensive knowledge on the biology of any bioindicator species is a priority for developing a valid monitoring strategy, as stated in the Marine Strategy Framework Directive for European waters.
Information obtained from the two previous case studies allowed the development of a new analytical protocol. We considered ecological diversity among species and differences in their diet compositions as factors that affect the efficiency and feasibility of analytical approaches. We compared efficiencies of two widespread procedures applied for the digestion of organic matter (10% KOH vs. 15% H2O2) with a new and more effective proposal (a mixture of 5% HNO3 and 15% H2O2). We demonstrated that selected protocols need to take into account both trophic levels and food preferences.
La contaminazione da plastica dell'ambiente marino è un problema di crescente preoccupazione in tutto il mondo. Si stima che tra 1,5% al 4% della produzione globale di plastica (322 milioni di tonnellate) finisca negli oceani ogni anno (COM/2018/028). Ciò significa che ogni anno, a livello globale, nei mari e negli oceani si disperdono tra i 5 e i 13 milioni di tonnellate di plastica.
Per sviluppare un'efficace strategia di gestione del rischio e identificare le fonti di contaminazione da plastica, è prioritario classificare i diversi tipi di plastica dispersi in mare, nonché descrivere le loro interazioni con la vita marina. La Decisione della Commissione Europea (2017/848/UE) richiede agli Stati membri di raccogliere informazioni standardizzate sull'ingestione di microplastiche da parte degli organismi marini, ma non sono ancora stati concordati protocolli comuni o specie bersaglio condivise a livello comunitario.
Lo scopo di questa ricerca è stato quello di indagare i fenomeni di ingestione del microlitter da parte dei pesci. Sono stati selezionati e confrontati due protocolli analitici già diffusamente in uso, da applicare a due casi studio per valutare l'ingestione di microplastiche da parte di diverse specie ittiche. Successivamente è stato sviluppato un nuovo protocollo analitico. Ciò per fornire uno strumento internazionale per l'attuazione del descrittore D10 (Marine Litter) della Direttiva Quadro sulla Strategia Marina.
Il primo caso studio ha analizzato l'ingestione di microplastiche da parte di tre specie di elasmobranchi di acque profonde (Galeus melastomus, Scyliorhinus canicula e Etmopterus spinax) provenienti dal Mar Tirreno, discriminando tra contenuto dello stomaco e dell'intestino. L'assenza di differenze significative nella frequenza e nell'abbondanza di oggetti di plastica nello stomaco, ha suggerito che la diversità ecologica tra queste tre specie di squali non ha particolarmente influenzato la probabilità di ingestione di plastica nell'area di studio. D'altra parte, le differenze rilevate nel contenuto di microplastiche nell'intestino potrebbero essere dovute a un diverso tempo di ritenzione delle stesse, suggerendo come le abitudini alimentari potrebbero influenzare le caratteristiche metaboliche, e quindi il recupero degli oggetti di plastica ingeriti. Tutte e tre le specie di elasmobranchi esaminate, anche con campioni di dimensioni relativamente ridotte, hanno fornito informazioni interessanti e quindi potrebbero essere utilizzate come specie bersaglio per monitorare l'ingestione di microlitter in habitat di acque profonde.
Il secondo caso studio è il primo report di ingestione di microplastiche da parte della specie Boops boops campionata nel Mar Tirreno e nel Mar Ligure (Mar Mediterraneo occidentale). Sono state analizzate le relazioni tra parametri biologici e fattori ambientali. Le boghe sono state raccolte in tre
regioni italiane, soggette a diverse pressioni antropiche (che sono state indentificate come input fluviale, popolazione umana, rotte di navigazione e distanza dalla costa).
Le microplastiche sono state rilevate nel tratto gastrointestinale della maggior parte degli individui (56%) con una media (±sd) di 1,8 (±0,2) di microplastiche per individuo. Abbiamo confermato che questa specie è in grado di evidenziare differenze nell'ingestione di microplastiche in base all'antropizzazione locale. Dai nostri dati, il Lazio sembra essere la regione più inquinata. Questo studio ha confermato inoltre che una elevata conoscenza della biologia delle specie considerate come bioindicatori, è una priorità per lo sviluppo di una valida strategia di monitoraggio, come affermato nella Direttiva Quadro sulla Strategia Marina per le acque europee.
Le informazioni ottenute dai primi due casi studio presi in considerazione, hanno permesso lo sviluppo di un nuovo protocollo analitico. La diversità ecologica tra le specie e le differenze nella composizione della loro dieta sono state considerate come potenziali fattori di influenza nell’efficienza degli approcci analitici. Le efficienze di digestione della sostanza organica di due procedure già diffusamente in uso (10% KOH e 15% H2O2) sono state confrontate con un nuovo protocollo da noi sviluppato (una miscela di 5% HNO3 e 15% H2O2). Abbiamo dimostrato che i protocolli analitici devono essere selezionati tenendo conto sia dei livelli trofici che delle preferenze alimentari delle specie prese in considerazione.
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e gestione sostenibile delle risorse ambientali