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The interaction of microplastics with freshwater biota and their interaction with other stressors is still not very well understood. Therefore, we investigated the ingestion, excretion and toxicity of microplastics in the freshwater gastropod Lymnaea stagnalis.
MP ingestion was analyzed as tissues levels in L. stagnalis after 6–96 h of exposure to 5–90 μm spherical polystyrene (PS) microplastics. To understand the excretion, tissue levels were determined after 24 h of exposure followed by a 12 h–7 d depuration period. To assess the toxicity, snails were exposed for 28 d to irregular PS microplastics (<63 μm, 6.4–100,000 particles mL−1), both alone and in combination with copper as additional stressor. To compare the toxicity of natural and synthetic particles, we also included diatomite particles. Microplastics ingestion and excretion significantly depended on the particle size and the exposure/depuration duration. An exposure to irregular PS had no effect on survival, reproduction, energy reserves and oxidative stress. However, we observed slight effects on immune cell phagocytosis. Exposure to microplastics did not exacerbate the reproductive toxicity of copper. In addition, there was no pronounced difference between the effects of microplastics and diatomite. The tolerance towards microplastics may originate from an adaptation of L. stagnalis to particle-rich environments or a general stress resilience. In conclusion, despite high uptake rates, PS fragments do not appear to be a relevant stressor for stress tolerant freshwater gastropods considering current environmental levels of microplastics.
he ubiquity of microplastics in aquatic ecosystems has raised concerns over their interaction with biota. However,microplastics research on freshwater species, especially mollusks, is still scarce. We, therefore, investigated the factorsaffecting microplastics ingestion in the freshwater musselDreissena polymorpha. Using polystyrene spheres (5, 10, 45,90μm), we determined the body burden of microplastics in the mussels in relation to 1) exposure and depuration time, 2)body size, 3) food abundance, and 4) microplastic concentrations.D. polymorpharapidly ingested microplastics and ex-creted most particles within 12 h. A few microplastics were retained for up to 1 wk. Smaller individuals had a higher relativebody burden of microplastics than larger individuals. The uptake of microplastics was concentration‐dependent, whereas anadditional food supply (algae) reduced it. We also compared the ingestion of microplastics byD. polymorphawith 2 otherfreshwater species (Anodonta anatina,Sinanodonta woodiana), highlighting that absolute and relative uptake depends onthe species and the size of the mussels. In addition, we determined toxicity of polystyrene fragments (≤63μm,6.4–100 000 p mL–1) and diatomite (natural particle, 100 000 p mL–1)inD. polymorphaafter 1, 3, 7, and 42 d of exposure,investigating clearance rate, energy reserves, and oxidative stress. Despite ingesting large quantities, exposure to poly-styrene fragments only affected the clearance rate ofD. polymorpha. Further, results of the microplastic and diatomiteexposure did not differ significantly. Therefore,D. polymorphais unaffected by or can compensate for polystyrene fragmenttoxicity even at concentrations above current environmental levels.Environ Toxicol Chem2021;40:2247–2260. © 2021 TheAuthors.Environmental Toxicology and Chemistrypublished by Wiley Periodicals LLC on behalf of SETAC.Keywords:Microplastics; Toxic effects; Mollusk toxicity
The ubiquitous detection of microplastics in aquatic ecosystems promotes the concern for adverse impacts on freshwater ecosystems. The wide variety of material types, sizes, shapes, and physicochemical properties renders interactions with biota via multiple pathways probable.
So far, our knowledge about the uptake and biological effects of microplastics comes from laboratory studies, applying simplified exposure regimes (e.g., one polymer and size, spherical shape, high concentrations) often with limited environmental relevance. However, the available data illustrates species- and material-related interactions and highlights that microplastics represent a multifaceted stressor. Particle-related toxicities will be driven by polymer type, size, and shape. Chemical toxicity is driven by the adsorption-desorption kinetics of additives and pollutants. In addition, microbial colonization, the formation of hetero-aggregates, and the evolutionary adaptations of the biological receptor further increase the complexity of microplastics as stressors. Therefore, the aim of this chapter is to synthesize and critically revisit these aspects based on the state of the science in freshwater research. Where unavailable we supplement this with data on marine biota. This provides an insight into the direction of future research.
In this regard, the challenge is to understand the complex interactions of biota and plastic materials and to identify the toxicologically most relevant characteristics of the plethora of microplastics. Importantly, as the direct biological impacts of natural particles may be similar, future research needs to benchmark synthetic against natural materials. Finally, given the scale of the research question, we need a multidisciplinary approach to understand the role of microplastics in a multiple-particle world.
Human-induced changes in the environment have increased the number of stressors impacting aquatic organism. In the light of climate change and plastic pollution, thermal stress and microplastics (MP) have become two of the most intensively studied stressors in aquatic ecosystems. Previous studies, however, mostly evaluated the impacts of thermal and MP stress in isolation, thereby neglecting joint effects.
To examine the combined effects of both, we exposed the freshwater mussel Dreissena polymorpha to irregular polystyrene MP (6.4, 160, 4000, 100,000 p mL−1) at either 14, 23 or 27 °C for 14 days and analyzed mortality, mussel activity and clearance rate, energy reserves, oxidative stress and the immunological state. Further, we exposed the mussels to diatomite (natural particle equivalent, 100,000 p mL−1) at each of the three water temperatures to compare MP and natural particle toxicity.
An increase in water temperature has a pronounced effect on D. polymorpha and significantly affects the activity, energy reserves, oxidative stress and immune function. In contrast, the effects by MP are limited to a change in the antioxidative capacity without any interactive effects between MP and thermal exposure. The comparison of the MP with a diatomite exposure revealed only limited influence of the particle type on the response of D. polymorpha to high concentrations of suspended particles.
The results indicate that MPs have minor effects on a freshwater mussel compared to thermal stress, neither alone nor as interactive effect. Limited MP toxicity could be based on adaptation mechanism of dreissenids to suspended solids. Nonetheless, MP may contribute to environmental impacts of multiple anthropogenic stressors, especially if their levels increase in the future. Therefore, we suggest integrating MP into the broader context of multiple stressor studies to understand and assess their joint impacts on freshwater ecosystems.
Seit den 1950er Jahren hat sich Plastik als unverzichtbare Ressource im menschlichen Alltag etabliert. Als negative Folge dieses Booms wird seit einigen Jahrzehnten jedoch eine zunehmende Belastung aquatischer Ökosysteme mit Plastikmüll bzw. dessen Degradationsprodukten, sogenanntes „Mikroplastik“ (MP, < 5 mm) bzw. „Nanoplastik“ (NP, < 1 µm), beobachtet. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des aktuellen Vorkommens von MP in limnischen Gewässern, die Analyse der Interaktion zwischen MP und limnischen Wirbellosenarten und der daraus resultierenden Toxizität sowie eine erste Risikoabschätzung.
Das Vorkommen von Mikroplastik in limnischen Gewässern wurde exemplarisch anhand der Elbe als großes Fließgewässer in Deutschland untersucht. Durch die Auswertung von elf Probestellen entlang des Verlaufs der Mittel- und Unterelbe konnte gezeigt werden, dass die MP-Konzentrationen im Sediment (2,26x10^4 – 2,27x10^7 P m^-3) im Mittel fast 150.000-fach höher sind als in der Wasserphase (0,88–13,24 P m^-3). Sedimente sind somit eine Senke für MP. Die Zusammensetzung der Polymerarten sowie MP-Formen deuten zudem an, dass die Partikel sowohl aus diffusen wie auch aus Punktquellen (z.B. Industrieabwässer) stammen. Im globalen Vergleich können die MP-Konzentrationen in deutschen Fließgewässern z. Z. als durchschnittlich betrachtet werden. Allerdings muss insgesamt davon ausgegangen werden, dass die bisher bestimmten MP-Umweltkonzentrationen die realen Konzentrationen möglicherweise unterschätzen. So zeigte die Elbestudie, dass die Sedimentfeinfraktion < 100 µm einen bedeutenden Polymeranteil enthielt. Die meisten bisher durchgeführten Studien zur Bestimmung von MP-Partikeln in Flüssen haben Partikel < 100 µm jedoch nicht in ihrer Analyse berücksichtigt.
Die Interaktion von MP mit limnischer Biota wurde anhand der Artgruppen der Muscheln (Bivalvia), Schnecken (Gastropoda) sowie Krebstiere (Crustacea) näher untersucht. Die Intensität der Interaktion ist maßgeblich von der Aufnahme von MP durch die verschiedenen Arten abhängig. Anhand von zahlreichen Aufnahmestudien mit verschiedenen limnischen Arten, darunter den Muschelarten Dreissena polymorpha, Sinanodonta woodiana und Anodonta anatina, der Lungenschnecke Lymnaea stagnalis sowie der Amphipodenart Gammarus pulex, wurde nachgewiesen, dass die MP-Aufnahme von den Eigenschaften der exponierten Arten bzw. Individuen, den MP-Charakteristika sowie den Expositionsbedingungen abhängt. Die Experimente mit Muscheln verdeutlichten die rasche Aufnahme, aber auch Exkretion von MP-Partikeln innerhalb weniger Stunden. In allen drei Artgruppen war die Aufnahme konzentrationsabhängig mit zunehmender Aufnahme bei steigenden MP-Konzentrationen. Die Muschelexperimente zeigten jedoch auch, dass eine gleichzeitige Exposition mit anderen Partikeln (z.B. Nahrung) zu einer reduzierten Aufnahme führt. Auch die Größe der Testorganismen beeinflusste die Aufnahme: So nahmen im Fall der Muscheln und Krebse kleinere Individuen (bzw. im Fall der Muscheln auch Arten) relativ pro Körpermasse mehr MP-Partikel auf als größere Individuen bzw. Arten. Für alle untersuchten Arten wurde darüber hinaus gezeigt, dass die MP-Größe relevanten Einfluss auf die Menge an aufgenommenen Partikeln hat.
Ein Vergleich zwischen den Artgruppen zeigte, dass Muscheln als filtrierende Organismen in den Laboruntersuchungen bei gleicher Expositionskonzentration mehr MP aufnahmen als Krebse (Zerkleinerer) und Schnecken (Weidegänger). Im Gegensatz zu Muscheln nutzen Krebstiere und Schnecken allerdings die Grenzschicht zwischen Wasser- und Sedimentphase als Suchraum für ihre Nahrung und sind in der Umwelt (auf Grund des höheren MP-Vorkommens in Sedimenten) somit möglicherweise gegenüber höheren MP-Konzentrationen exponiert als Muscheln. Die Extrapolation der gewonnenen Labordaten sowie der Vergleich mit publizierten Umweltdaten legen allerdings nahe, dass das MP-Vorkommen in Individuen aller drei Artgruppen bisher auf einige wenige MP-Partikel begrenzt ist. Ausgeprägte Unterschiede zwischen den Artgruppen sind bisher nicht erkennbar.
MP-Toxizitätsstudien mit G. pulex, L. stagnalis sowie D. polymorpha konnten trotz der Berücksichtigung einer Vielzahl an Endpunkten (Mortalität, Reproduktion, Nahrungsaufnahme, oxidativer Stress, Energiereserven, Immunzellaktivität) und trotz des Einsatzes zum Teil sehr hoher MP-Konzentrationen weit oberhalb aktueller Umweltkonzentrationen nur sehr wenige MP-induzierte Effekte nachweisen, darunter eine Steigerung der Filtrationsaktivität (D. polymorpha) bzw. Veränderung der Immunfunktion von Hämolymphzellen (L. stagnalis).
Zur weiteren Risikoabschätzung wurden diese Studienergebnisse mit publizierten Daten für marine und limnische Muschel- und Krebsarten in Artenempfindlichkeitsverteilungen (Species Sensitivity Distributions, SSD) zusammengeführt und jeweils eine SSD für Muscheln und Krebstiere erstellt. Die Erstellung einer SSD nur für limnische Arten ist zum jetzigen Zeitpunkt auf Grund der geringen Datenlage noch nicht möglich.
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Aquatic ecosystems are globally contaminated with microplastics (MP). However, comparative data on MP levels in freshwater systems is still scarce. Therefore, the aim of this study is to quantify MP abundance in water and sediment of the German river Elbe using visual, spectroscopic (Fourier-transform infrared spectroscopy) and thermo analytical (pyrolysis gas chromatography mass spectrometry) methods. Samples from eleven German sites along the German part of the Elbe were collected, both in the water and sediment phase, in order to better understand MP sinks and transport mechanisms. MP concentrations differed between the water and sediment phase. Sediment concentrations (mean: 3,350,000 particles m−3, 125–5000 μm MP) were in average 600,000-fold higher than water concentrations (mean: 5.57 particles m−3, 150–5000 μm MP). The abundance varied between the sampling sites: In sediments, the abundance decreased in the course of the river while in water samples no such clear trend was observed. This may be explained by a barrage retaining sediments and limiting tidal influence in the upstream parts of the river. Particle shape differed site-specifically with one site having exceptionally high quantities of spheres, most probably due to industrial emissions of PS-DVB resin beads. Suspended MP consisted predominantly of polyethylene and polypropylene whereas sediments contained a higher diversity of polymer types. Determined MP concentrations correspond well to previous results from other European rivers. In a global context, MP levels in the Elbe relate to the lower (water) to middle section (sediment) of the global range of MP concentrations determined for rivers worldwide. This highlights that elevated MP levels are not only found in single countries or continents, but that MP pollution is an issue of global concern.