Interacción de micro/nanoplásticos de poliestireno con cafeína en ambientes acuáticos y efectos subletales en Daphnia magna

Abstract

En los últimos años, ha habido un aumento en la producción y liberación no regulada de contaminantes emergentes (CEs) como micro/nanoplásticos (MP/NPs) y compuestos farmacéuticamente activos (PhAC) en el medio acuático. Actualmente, existe un conocimiento limitado sobre el comportamiento de estos compuestos una vez liberados al medio ambiente y los correspondientes impactos en los ecosistemas acuáticos. Dado que la producción de MP/NPs y PhACs continuará y aumentará en los próximos años, es necesario caracterizar completamente el comportamiento y los riesgos ecológicos correspondientes que plantean las mezclas de MP/NPs y PhACs para formar la base para la prevención de su liberación y el tratamiento de ambientes de agua dulce. Por lo tanto, en el presente trabajo, se caracterizó completamente la interacción de MP/NPs con cafeína (CAF, un PhAC representativo) y se estudiaron los correspondientes efectos subletales sobre Daphnia magna. En la primera parte del estudio, se combinaron dos tipos de micro y nanoplásticos de poliestireno (PSMP/NPs) con concentraciones ambientalmente relevantes de CAF (10 μg/L y 100 μg/L) en condiciones de pH neutro, y se cuantificó la sorción correspondiente. Además, los PSMP/NPs se caracterizaron por tamaño, carga y grupos funcionales para evaluar los cambios en su estructura superficial antes y después de la interacción con CAF. Determinamos una sorción mínima de CAF y cambios insignificantes en las propiedades superficiales de los PSMP/NPs en condiciones neutras. En la segunda parte del estudio, Daphnia magna fue expuesta a niveles subletales de PSNPs, CAF y sus mezclas durante 48 horas, y se evaluaron la producción de crías, el comportamiento de natación y las respuestas fisiológicas correspondientes. Se concluyó que las Daphnia expuestas a NPs y CAF+NPs tuvieron una respuesta significativamente elevada en el comportamiento de natación en comparación con el control, lo que se atribuyó como una respuesta de evitación a las NPs adheridas a su caparazón y órganos internos, que se verificó mediante análisis SEM. Las Daphnia también mostró frecuencias cardíacas elevadas en respuesta a los tratamientos con NPs y CAF+NPs, pero no de manera significativa debido a varias réplicas con bradicardia. Curiosamente, el número de crías de Daphnia expuestas a NPs disminuyó en comparación con el control, pero no en el tratamiento CAF+NPs, lo que potencialmente indica un efecto antagónico de la mezcla hacia la producción de crías. Nuestros resultados proporcionan una mejor comprensión de cómo interactúan los MP/NPs y CAF en ambientes de agua dulce e indican consecuencias importantes para la supervivencia y aptitud a largo plazo de D. magna con exposiciones subletales a dichas mezclas.In recent years, there has been an increase in the production and unregulated release of emerging contaminants (ECs) such as micro/nanoplastics (MP/NPs) and pharmaceutically active compounds (PhACs) into the aquatic environment. Currently, there is limited knowledge as to the behavior of these compounds once they’re released into the environment and the corresponding impacts to aquatic ecosystems. As the production of MP/NPs and PhACs will likely continue and increase in coming years, it is necessary to fully characterize the behavior and corresponding ecological risks that MP/NP and PhAC mixtures pose to form the basis for the prevention of their release and the treatment of freshwater environments. Therefore, in the present work, the interaction of MP/NPs with caffeine (CAF, a representative PhAC compound) was fully characterized, and the corresponding sublethal effects on Daphnia magna was studied. In the first part of this study, two types of polystyrene micro and nanoplastics (PSMP/NPs) were combined with environmentally relevant concentrations of CAF (10μg/L and 100μg/L) in neutral conditions, and the corresponding sorption was quantified. In addition, the PSMP/NPs were characterized for size, charge, and functional groups to evaluate changes to their surface structure before and after interaction with CAF. We determined minimal sorption of CAF and negligible changes to the surface properties of PSMP/NPs under neutral conditions. In the second part of the study, Daphnia magna were exposed to sublethal levels of PSNPs, CAF, and their mixtures over 48 hours, and the corresponding offspring production, swimming behavior, and physiological responses were evaluated. It was concluded that Daphnia exposed to NPs and CAF+NPs had a significantly elevated response in swimming behavior compared to the control, which was suspected to be an avoidance behavior in response to NPs adhered to their carapace and inner organs, as verified via SEM analysis. The Daphnia also exhibited elevated heartrates in response to NPs and CAF+NPs treatments, but not significantly due to several replicates exhibiting bradycardia. Interestingly, the number of offspring of daphnids exposed to NPs was decreased compared to the control, but not in the CAF+NPs treatment, potentially indicating an antagonistic effect of the mixture towards the production of offspring. Our results provide a better understanding as to how MP/NPs and CAF interact in freshwater environments and indicate important consequences to the long-term survival and fitness of D. magna with sublethal exposures to said mixtures.