Influencia de los microplásticos en la bioacumulación y efectos de contaminantes de interés emergente en organismos marinos

Abstract

En esta tesis se estudia la presencia de contaminantes de interés emergente (CECs) en dos áreas litorales mediterráneas, y se evalúa cómo afecta la presencia de microplásticos (MPs) a la bioacumulación y los efectos biológicos de fármacos (PhACs) y productos de cuidado e higiene personal (PCPs). La primera parte de la investigación caracteriza la distribución de contaminantes orgánicos regulados y de interés emergente en aguas superficiales y plásticos flotantes de dos sistemas costeros mediterráneos: el Mar Menor y el Delta del Ebro. El análisis de estos contaminantes se realizó mediante extracción con barras magnéticas polimerizadas (SBSE), seguida de desorción térmica en un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas (GC-MS). Todos los grupos de contaminantes estudiados fueron detectados en las dos matrices estudiadas, siendo los PCPs, especialmente los filtros solares, predominantes en ambas zonas. Además, se detectaron por primera vez PhACs adsorbidos en los plásticos litorales. Con el objetivo de mejorar el conocimiento de la persistencia e interacciones de CECs con plásticos, se caracterizó la adsorción y estabilidad de algunos pesticidas de uso actual y PCPs sobre MPs de polietileno de alta densidad (HDPE). Para la mayoría de los compuestos la adsorción fue rápida, alcanzándose el equilibrio en todos los casos antes de las 24h. También se confirmó su desorción parcial, constatándose que la adsorción de CECs es un proceso dinámico que depende de las propiedades de los contaminantes, del plástico y las características del medio. También se evaluó cómo la presencia de MPs afecta a la acumulación y los efectos biológicos de estos contaminantes en organismos marinos, utilizando mejillón como modelo biológico in vivo. Concretamente se realizaron experimentos de exposición al antimicrobiano triclosán (TCS), el antidepresivo citalopram (CIT) y el regulador lipídico bezafibrato (BEZ), así como su co-exposición con MPs de HDPE. Para el estudio de los efectos se determinó la respuesta de determinados biomarcadores bioquímicos en branquias y glándula digestiva, y se estudió complementariamente la expresión génica de proteínas relacionadas con los mecanismos de defensa frente a los contaminantes en la glándula digestiva. Los resultados mostraron que los tres compuestos evaluados ocasionaron diferentes efectos biológicos relacionados con los mecanismos de defensa frente al estrés oxidativo, de detoxificación y transporte de xenobióticos, así como su capacidad de inducir neurotoxicidad, incluso en casos de muy baja capacidad de bioacumulación del CEC. Finalmente, mediante ensayos in vitro con líneas celulares de hígado de pez (PLHC-1), se evaluaron los efectos y mecanismos de toxicidad de diferentes CECs. Concretamente, se caracterizaron tanto de forma individual como combinada, los efectos de los PhACs (CIT, BEZ y el cardiovascular carazolol) y otros PCPs (el antimicrobiano TCS y el filtro solar octocrileno), así como aditivos plásticos previamente detectados en las muestras ambientales del Mar Menor y Delta del Ebro (acetil tributil citrato y bisfenol S). Estos contaminantes a concentraciones ambientales provocaron efectos adversos en el funcionamiento celular. Específicamente, en la mayoría de las combinaciones evaluadas se observaron efectos sinérgicos en la producción de ROS y en la alteración del potencial de membrana mitocondrial, mientras que, en comparación con las exposiciones individuales, se detectaron efectos antagónicos en la estimulación de la actividad metabólica. Estos resultados destacan la importancia de estudiar y considerar los efectos de los contaminantes sobre los organismos no sólo de forma aislada sino también en exposiciones combinadas de contaminantes, ya que representan de manera más fiel las condiciones presentes en el medio marino.

This thesis investigates the presence of contaminants of emerging concern (CECs) in two Mediterranean coastal areas and assesses the influence of microplastics (MPs) on the bioaccumulation and biological effects of pharmaceuticals (PhACs) and personal care products (PCPs). The first part of this research characterized the distribution of regulated organic contaminants and emerging pollutants in surface waters and floating plastics from two Mediterranean coastal systems: the Mar Menor and the Ebro Delta. The analysis of organic contaminants was carried out using stir bar sorptive extraction (SBSE), followed by thermal desorption in a gas chromatograph coupled with a mass spectrometer (GC-MS). All contaminant groups studied were detected in both matrices, being PCPs, particularly sunscreen filters, the most prevalent group in both areas. Moreover, PhACs were detected, for the first time, on plastics sampled in coastal areas. To enhance understanding of the persistence and interactions of CECs with plastics, the sorption and stability of certain currently used pesticides and PCPs on high-density polyethylene (HDPE) microplastics were characterized. Sorption occurred rapidly for most compounds, being reached the equilibrium within 24 hours in all cases. The partial desorption of these CECs was also confirmed, demonstrating that their sorption is a dynamic process influenced by the properties of the contaminants, the plastic characteristics, and the environmental conditions. The influence of MPs on the accumulation and biological effects of these contaminants in marine organisms was also assessed, using mussels as an in vivo biological model. Specifically, exposure experiments were conducted with the antimicrobial triclosan (TCS), the antidepressant citalopram (CIT), and the lipid regulator bezafibrate (BEZ), along with their co-exposure to HDPE MPs. To evaluate their effects, biochemical biomarkers were analyzed in gills and digestive gland, complemented by studying the gene expression of proteins associated with defense mechanisms against contaminants in the digestive gland. The results showed that all three compounds could trigger various biological effects, including responses related to oxidative stress defense, detoxification, and xenobiotic transport. Additionally, they demonstrated the potential to induce neurotoxicity, even in cases where the CECs exhibited very low bioaccumulation potential. Finally, in vitro assays, using fish liver cell lines (PLHC-1), were conducted to evaluate the effects and mechanisms of toxicity of various CECs. Specifically, this experiment assessed the effects of PhACs (CIT, BEZ, and the cardiovascular drug carazolol) and other PCPs (the antimicrobial TCS and the sunscreen octocrylene), both individually and in combination, along with plastic additives previously detected in environmental samples from the Mar Menor and Ebro Delta (acetyl tributyl citrate and bisphenol S). The results indicated that these contaminants, at environmental concentrations, provoked adverse effects on cellular function. In particular, synergistic effects on ROS production and alterations in mitochondrial membrane potential were observed in most of the combinations tested, while, in comparison to individual exposures, antagonistic effects on metabolic activity were detected. These findings highlight the importance of studying and considering the effects of contaminants on organisms not only individually but also in combined exposures, as they represent more accurately the conditions present in the marine environment.