Toxicity of Microplastics and Nanoplastics to Model Aquatic Organism Daphnia Magna

Abstract

Plastic pollution in the aquatic environment has become a major environmental concern over the past few decades. It is estimated that ~15 million metric tons of plastic waste ends up in the aquatic environment annually. Over time, these plastic debris break down into smaller size particles, i.e., micro- and nanoplastics, due to various factors including mechanical friction, UV irradiation, etc. Several research studies have investigated the toxicity impacts of these micro- and nanoplastics on aquatic organisms using a wide array of polymer types, particle shapes, particle sizes, and test concentrations. However, there are still significant knowledge gaps in understanding their impacts to aquatic invertebrates.

In the first part of this thesis aims to address these gaps to advance our knowledge on the impacts of these particles on aquatic invertebrates.Existing scientific literature was critically reviewed to understand the status of research in this field and identify the knowledge gaps. Based on the reviewed literature, it was recognized that there is no clear consensus on how to pre-treat commercially prepared micro- and nanoplastics before using them for toxicity assessments; and the impacts of the preservatives present in these commercial formulations were not yet properly understood. Furthermore, the review showed that only limited studies have investigated the impacts of irregularly shaped micro- and nanoplastics which are a more realistic representation of the plastic particles present in the natural environment. Hence, the impacts of these irregular-shaped particles, and their associated complexity is still unclear.

To address some of these gaps, the thesis investigated the impacts of a preservative, sodium azide, that is widely present in the commercial formulations of micro- and nanoplastics. Acute toxicity experiments of as-purchased and dialyzed nanoplastics were used to understand the role of sodium azide in toxicity assessments. The results show that sodium azide contributes to the observed toxicity of commercial formulations of polystyrene nanoplastics whereas the tested nanoplastics do not have any significant impacts on the acute survival of Daphnia magna. Further experiments were performed to investigate the sub-lethal impacts of the same particles. The experiments showed that in the absence of preservatives, the tested nanoplastics do not have significant impact on the survival of Daphnia magna, but can cause severe impacts on other historic traits, such as growth and reproduction.

Another knowledge gap that was addressed in the final part of this thesis is understanding thepotential occurrence of non-spherical plastic particles in the aquatic environment, as well as theirtoxicity to Daphnia magna. In this case, single-use face masks were selected as a potential sourceof non-spherical plastic particles in the aquatic environment. First, the study investigated therelease of microplastic fibres from single use face masks and the fate of the released microplasticsin the environment. The results showed that face masks can be another major source ofmicroplastics in the environment, and a significant portion of these microplastics may end up innatural waters. Jar test results estimate that ~4–47 million microplastic fibres released from theface masks can be released into natural waters per day after wastewater treatment in an urbanenvironment (assuming a population of 4300 persons/km²). Finally, a comprehensive toxicityviassessment was conducted to assess the toxicity of these released plastics to Daphnia magna.

Alternate abstract:

La pollution plastique du milieu aquatique est devenue une préoccupation environnementalemajeure au cours des dernières décennies. On estime qu'environ 10 millions de tonnes métriquesde déchets plastiques se retrouvent chaque année dans le milieu aquatique, représentant jusqu'à 80% des débris dans les eaux naturelles. Certaines études prédisent même que d'ici 2050, il y auraitplus de plastique que de poissons dans l'océan. Au fil du temps, ces débris de plastique sefragmentent en particules de plus petite taille, i.e. en microplastiques et nanoplastiques, et ceci dueà leur altération provoquer par les frottements mécaniques, l'irradiation UV, etc. Plusieursrecherches ont étudié la toxicité de ces particules sur les organismes aquatiques à l'aide d'un largeéventail de types de polymères, de formes de particules, de tailles de particules et de concentrationsde test. Cependant, il existe encore des lacunes importantes dans la compréhension de leursimpacts sur les invertébrés aquatiques. Ainsi, l'objectif de cette thèse a été de combler ce manquede connaissance et ainsi mieux comprendre les impacts de ce type de particules sur les invertébrésaquatiques.

Dans la première partie de cette thèse, la littérature scientifique existante a été examinée de manièrecritique pour comprendre l'état de la recherche dans ce domaine et identifier de potentiel verrousscientifiques. Les différents facteurs qui contribuent à la toxicité observée ont pu être identifiés.Sur la base de cet état de l’art, aucun consensus clair sur la manière de prétraiter les microplastiqueset les nanoplastiques n’a été identifiée avant leur utilisation lors de test toxicologiques. Il est ànoter que les impacts des conservateurs présents dans ces formulations commerciales n'étaient pasencore bien compris. De plus, les récentes études utilisent différentes mesures de dose pour leursévaluations de la toxicité. L’état de l’art a montré que la plupart des études utilisent desviiimicroplastiques et des nanoplastiques sphériques et que seulement un nombre limité de travauxutilisent des particules ayant une forme irrégulière, pourtant plus réaliste des particules de plastiqueprésentes dans l'environnement. Par conséquent, les impacts de ces particules de forme irrégulièreet leur complexité associée ne sont toujours pas clairs.

Dans la seconde partie de cette thèse l’impacts d'un conservateur, l'azoture de sodium, largementprésent dans les microplastiques et de nanoplastiques commerciaux. A cet effet, des nanoplastiquescommerciaux ont été utilisés pour comprendre le rôle de spécifique l'azide de sodium dans lesévaluations de toxicité aiguë. Les résultats montrent que l'azoture de sodium contribue à la toxicitéobservée des nanoplastiques commerciaux de polystyrène. Les résultats de l'étude ont égalementrévélé que les particules de polystyrène de 20 nm et 200 nm n'ont pas d'impact significatif sur lasurvie aiguë de Daphnia magna. D'autres expériences ont été réalisées pour étudier les impactssublétaux des mêmes particules lors d'une exposition chronique, ainsi que le rôle des paramètresde dose dans les résultats des tests. Les expériences ont montré qu'en l'absence de conservateurs,les nanoplastiques testés n'ont pas d'impact significatif sur la survie de Daphnia magna, maispeuvent avoir de graves impacts sur d'autres caractéristiques, telles que la croissance et lareproduction.