Effects of synthetic polymers on freshwater invertebrates

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Mondellini, Simona:
Effects of synthetic polymers on freshwater invertebrates.
Bayreuth , 2026 . - VI, 274 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Synthetic polymers (plastics) are essential for our everyday lives. Since the mid-20th century, their production, usage, and consequently their waste, have increased exponentially, introducing a new suite of environmental contaminants. Hence, plastic pollution has received increasing attention from researchers, the media, and the public. Among the major sources of plastic contamination are mismanaged waste, materials from packaging, construction, and transportation sectors. In the environment, large plastic items undergo chemical and physical degradation, leading to their fragmentation. When they reach a size between 1 and 1000 µm (ISO 24187:2023), these particles are defined as microplastics (MP). MP formed from fragmentation are defined as secondary MP, while those intentionally produced as such (e.g., pellets for manufacture or for personal care products) are called primary. Their persistence causes accumulation in virtually every habitat, leading to ubiquitous contamination with potential ecological risks. Moreover, plastics are often associated with intentionally and unintentionally added chemicals that can leach out during their life cycle, contributing to potential MP toxicity. As a more sustainable alternative, new bio-based and/or biodegradable plastics are promoted. While bio-based plastics are produced from renewable resources, biodegradable ones are not necessarily bio-based but should degrade under appropriate conditions. The use of these so-called bioplastics (bio-based and biodegradable) should reduce the carbon footprint connected to plastic production and its environmental impact, thanks to biodegradability. However, while the use and so the emissions of bioplastics are expected to increase with their market demand, proof of their environmental safety is missing. Early investigations provide first indications that bioplastics might exert similar adverse effects as conventional petroleum-based polymers. Nevertheless, ecotoxicological data are still limited. Furthermore, synthetic polymer contamination is not exclusively represented by solid plastic. There is, in fact, a class of widely neglected compounds that can dissolve in water. Such water-soluble polymers (WSP) are highly employed in industries, medicine, water-treatment plants, dietary and biomedical products. Once dissolved, WSP are not easily discernible from their matrix, but they are present in the environment. WSP potential effects are just now starting to be explored. Just like MP from bioplastics, WSP interact with the biota, but, due to terminological ambiguity and the current lack of regulations, they have been widely under-researched. In fact, while recent regulations like the EU amendment to REACH (25.9.2023) limit the use of certain MP, biodegradable plastics, and WSP are exempted because they are assumed, given the supposed lack of ecotoxicological data, not to pose an environmental risk (as per article 44). Given the current lack of knowledge about the potential effects of both biodegradable and bio-based plastics and WSP, in this thesis, I aimed to 1) assess the potential effects of biodegradable bio-based plastics on different freshwater organisms, including unicellular eukaryotes and invertebrates, and 2) provide new knowledge on the effects of five commonly employed WSP on the freshwater cladoceran Daphnia magna. In detail, I pursued the following research objectives: I. Assess MP uptake and potential trophic transfer in the lower trophic levels, employing unicellular eukaryotes as models; II. Compare the effects of MP from bio-based and biodegradable as well as petroleum-based plastics and their extracts on D. magna, including analysis of clonal sensitivity; III. Investigate the potential threat represented by five WSP on D. magna. In my thesis, I show the potential trophic transfer of MP in freshwater food webs. I could show the uptake of different MP particles (PS, PET, PP, PVC, PA, LDPE, PHB, PDLLA, PLLA, PBS) in Ciliophora from low trophic levels (Article I) and that trophic transfer occurs from two Ciliophora (P. Caudatum and Tetrahymena pyriformis) to an Amoebozoa (Amoeba proteus) (Article II). Moving up along the food web to primary consumers, I employed Daphnia magna as model organism. Daphnia is a keystone species in freshwater ecosystems, linking primary production with higher trophic levels. The use of Daphnia as model organisms is widely accepted also because of their amictic parthenogenetic life-cycle, which allows the use of clonal lineages for experimental designs. Using Daphnia, I show that adverse effects are not only elicited by conventional plastics (PET) but also by bio-based and biodegradable ones (PBS and PLA) (Article III). Moreover, I show that genetic clonal differences have a significant impact on the outcome of MP exposure studies comparing the effects of one conventional one (PET) to two bio-based and biodegradable (PBS and PLA) (Article IV). Lastly, I investigated for the first time the potential hazard of five common WSP (PVOH, PVP, PAA, PEO, PEG) on D. magna. In this study, I showed that WSP can impair D. magna’s life history, which over time could cascade over higher trophic levels and impair ecosystem dynamics (Article V). My results will help to add new knowledge on the potential ecological implications associated with the contamination of MP from biodegradable and bio-based polymers and set the foundation for a better understanding of WSP potential threat.

Abstract in weiterer Sprache

Synthetische Polymere (Kunststoffe) sind für unser tägliches Leben von wesentlicher Bedeutung. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben ihre Produktion und Verwendung, und damit auch die entstehenden Abfallmengen, exponentiell zugenommen und eine neue Klasse von Umweltkontaminanten hervorgebracht. Daher hat die Verschmutzung durch Kunststoffe zunehmend Aufmerksamkeit von Forschung, Medien und Öffentlichkeit erhalten. Zu den wichtigsten Quellen der Kunststoffkontamination zählen unsachgemäß entsorgte Abfälle sowie Materialien aus Verpackung, Bauwesen und Transport. In der Umwelt unterliegen große Kunststoffgegenstände chemischen und physikalischen Abbauprozessen, die zu ihrer Fragmentierung führen. Erreichen diese Partikel eine Größe zwischen 1 und 1000 µm (ISO 24187:2023), werden sie als Mikroplastik (MP) definiert. Durch Fragmentierung entstandenes MP wird als sekundäres MP bezeichnet, während Partikel, die absichtlich in dieser Form hergestellt werden (z. B. Pellets für die Kunststoffproduktion oder Körperpflegeprodukte), als primäres MP gelten. Aufgrund ihrer Persistenz reichern sich Kunststoffe in nahezu allen Lebensräumen an und führen zu einer allgegenwärtigen Kontamination mit potenziellen ökologischen Risiken. Zudem sind Kunststoffe häufig mit absichtlich oder unbeabsichtigt zugesetzten Chemikalien verbunden, die während ihres Lebenszyklus auslaugen und so zur potenziellen Toxizität von MP beitragen können. Als nachhaltigere Alternative werden biobasierte und/oder biologisch abbaubare Kunststoffe gefördert. Biobasierte Kunststoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, während biologisch abbaubare Kunststoffe nicht zwangsläufig biobasiert sind, sich jedoch unter geeigneten Bedingungen zersetzen sollen. Die Nutzung dieser sogenannten Biokunststoffe (biobasiert und biologisch abbaubar) soll dank ihrer biologischen Abbaubarkeit den mit der Kunststoffproduktion verbundenen CO₂-Fußabdruck und Umweltwirkungen verringern. Obwohl mit steigender Marktnachfrage auch Verwendung und Emissionen von Biokunststoffen voraussichtlich zunehmen werden, fehlen bislang belastbare Nachweise für ihre Umweltsicherheit. Erste Studien deuten darauf hin, dass Biokunststoffe ähnliche schädliche Auswirkungen haben könnten wie konventionelle erdölbasierte Polymere. Dennoch sind verfügbare ökotoxikologische Daten weiterhin begrenzt. Darüber hinaus beschränkt sich die Kontamination durch synthetische Polymere nicht ausschließlich auf feste Kunststoffe. Es existiert eine bislang weitgehend vernachlässigte Klasse von Verbindungen, die sich in Wasser lösen können. Solche wasserlöslichen Polymere (WSP) werden in Industrie, Medizin, Wasseraufbereitungsanlagen sowie Lebensmittel- und biomedizinischen Produkten eingesetzt. Nach ihrer Auflösung sind WSP schwer von ihrer Matrix zu unterscheiden, verbleiben jedoch in der Umwelt. Die potenziellen Auswirkungen von WSP werden erst kürzlich untersucht. Ähnlich wie MP aus Biokunststoffen können WSP mit Organismen interagieren, sind jedoch aufgrund terminologischer Unklarheiten und fehlender regulatorischer Vorgaben bislang weitgehend unerforscht. Jüngste Regelungen wie die EU-Änderung der REACH-Verordnung (25.9.2023) beschränken die Verwendung bestimmter Mikroplastikpartikel, doch biologisch abbaubare Kunststoffe und WSP sind davon ausgenommen, da aufgrund des Mangels an ökotoxikologischen Daten angenommen wird, dass sie kein Umweltrisiko darstellen (Artikel 44). Angesichts des Wissensmangels über die potenziellen Auswirkungen biologisch abbaubarer und biobasierter Kunststoffe sowie von WSP verfolge ich in dieser Dissertation zwei Hauptziele: 1. die potenziellen Auswirkungen biologisch abbaubarer biobasierter Kunststoffe auf verschiedene Süßwasserorganismen, darunter einzellige Eukaryoten und Wirbellose, zu untersuchen, und 2. neue Erkenntnisse über die Auswirkungen von fünf häufig verwendeten WSP auf den Süßwasser-Cladoceran Daphnia magna zu gewinnen. Im Einzelnen verfolgte ich folgende Forschungsziele: I. Untersuchung der Aufnahme von MP und des potenziellen trophischen Transfers in unteren trophischen Ebenen unter Verwendung einzelliger Eukaryoten als Modellorganismen; II. Vergleich der Auswirkungen von MP aus biobasierten und biologisch abbaubaren sowie erdölbasierten Kunststoffen und deren Extrakten auf D. magna, einschließlich einer Analyse der klonalen Empfindlichkeit; III. Untersuchung der potenziellen Gefährdung von D. magna durch fünf WSP. In dieser Dissertation zeige ich den potenziellen trophischen Transfer von MP in Süßwasser-Nahrungsnetzen. Ich konnte die Aufnahme verschiedener MP-Partikel (PS, PET, PP, PVC, PA, LDPE, PHB, PDLLA, PLLA, PBS) durch Ciliophora aus niedrigen trophischen Ebenen nachweisen (Artikel I) und zeigen, dass ein trophischer Transfer von zwei Ciliophora (Paramecium caudatum und Tetrahymena pyriformis) zu einem Amoebozoa (Amoeba proteus) stattfindet (Artikel II). Um entlang des Nahrungsnetzes zu den Primärkonsumenten vorzudringen, verwendete ich Daphnia magna als Modellorganismus. Daphnia ist eine Schlüsselart in Süßwasserökosystemen, da sie die Primärproduktion mit höheren trophischen Ebenen verbindet. Ihre Verwendung als Modellorganismus ist auch aufgrund ihres amiktischen parthenogenetischen Lebenszyklus weithin anerkannt, der die Nutzung klonaler Linien in experimentellen Designs ermöglicht. Anhand von Daphnia zeige ich, dass schädliche Effekte nicht nur durch konventionelle Kunststoffe (PET), sondern auch durch biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe (PBS und PLA) ausgelöst werden können (Artikel III). Darüber hinaus zeige ich, dass genetische klonale Unterschiede einen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse von MP-Expositionsstudien haben, indem ich die Auswirkungen eines konventionellen Kunststoffs (PET) mit denen von zwei biobasierten und biologisch abbaubaren Kunststoffen (PBS und PLA) vergleiche (Artikel IV). Abschließend untersuchte ich erstmals die potenzielle Gefährdung von D. magna durch fünf häufig verwendete WSP (PVOH, PVP, PAA, PEO, PEG). Dabei zeigte sich, dass WSP die Lebensgeschichte von D. magna beeinträchtigen können, was sich im Laufe der Zeit als trophische Kaskade auf höhere trophische Ebenen auswirken und die Dynamik von Ökosystemen beeinflussen könnte (Artikel V). Meine Ergebnisse tragen dazu bei, neue Erkenntnisse über die potenziellen ökologischen Auswirkungen einer Kontamination durch Mikroplastik aus biologisch abbaubaren und biobasierten Polymeren zu gewinnen und eine Grundlage für ein besseres Verständnis der potenziellen Gefährdung durch WSP zu schaffen.