Microplastics: New substrates for heterotrophic activity contribute to altering organic matter cycles in aquatic ecosystems

Abstract

Heterotrophic microbes with the capability to process considerable amounts of organic matter can colonize microplastic particles (MP) in aquatic ecosystems. Weather colonization of microorganisms on MP will alter eco logical niche and functioning of microbial communities remains still unanswered. Therefore, we compared the functional diversity of biofilms on microplastics when incubated in three lakes in northeastern Germany differing in trophy and limnological features. For all lakes, we compared heterotrophic activities of MP biofilms with those of microorganisms in the surrounding water by using Biolog® EcoPlates and assessed their oxygen consumption in microcosm assays with and without MP. The present study found that the total biofilm biomass was higher in the oligo-mesotrophic and dystrophic lakes than in the eutrophic lake. In all lakes, functional diversity profiles of MP biofilms consistently differed from those in the surrounding water. However, solely in the oligo-mesotrophic lake MP biofilms had a higher functional richness compared to the ambient water. These results demonstrate that the functionality and hence the ecological role of MP-associated microbial communities are context-dependent, i.e. different environments lead to substantial changes in biomass build up and heterotrophic activities of MP biofilms. We propose that MP surfaces act as new niches for aquatic microorganisms and that the constantly in creasing MP pollution has the potential to globally impact carbon dynamics of pelagic environments by altering heterotrophic activities.

Los microbios heterótrofos con capacidad para procesar cantidades considerables de materia orgánica pueden colonizar partículas microplásticas (MP) en los ecosistemas acuáticos. El tiempo de colonización de los microorganismos en las MP alterará el nicho ecológico y el funcionamiento de las comunidades microbianas sigue sin respuesta. Por lo tanto, comparamos la diversidad funcional de las biopelículas sobre microplásticos cuando se incuban en tres lagos del noreste de Alemania que difieren en trofeo y características limnológicas. En todos los lagos, comparamos las actividades heterótrofas de las biopelículas de MP con las de los microorganismos en el agua circundante mediante el uso de Biolog® EcoPlates y evaluamos su consumo de oxígeno en ensayos de microcosmos con y sin MP. En el presente estudio se comprobó que la biomasa total de las biopelículas era mayor en los lagos oligo-mesotróficos y distróficos que en el lago eutrófico. En todos los lagos, los perfiles de diversidad funcional de biofilms de MP difieren sistemáticamente de los del agua circundante. Sin embargo, sólo en el lago oligo-mesotrófico lago oligo-mesotrófico las biopelículas de MP tenían una mayor riqueza funcional en comparación con el agua del entorno. Estos resultados demuestran que la funcionalidad y, por tanto, el papel ecológico de las comunidades microbianas asociadas a MP dependen del contexto, es decir, que los diferentes entornos provocan cambios sustanciales en la acumulación de biomasa y en las actividades heterótrofas de las biopelículas de MP de las biopelículas de MP. Proponemos que las superficies de las MP actúan como nuevos nichos para los microorganismos acuáticos y que el aumento constante de la contaminación por MP tiene el potencial de impactar globalmente en la dinámica del carbono de los ambientes pelágicos alterando actividades heterótrofas.