Microplastics in the Mondego Estuary and adjacent coastline: Occurrence, characterisation and associated bacterial communities.

Abstract

A contaminação por microplásticos (<5 mm) é considerada hoje em dia como ubíqua no ambiente e mesmo num cenário futuro extremamente ambicioso (sem mais emissões) irá continuar a aumentar. Assim, é importante avaliar os potenciais riscos e consequências ecológicas que possam advir não só dos níveis atuais de contaminação ambiental por microplásticos, como também em possíveis cenários futuros. Uma das preocupações atuais está relacionada com a possibilidade dos microplásticos abrigarem comunidades bacterianas diferentes das encontradas nos seus ambientes e o potencial para estas partículas atuarem como vetores de transmissão e propagação de grupos bacterianos chave, como agentes patogénicos. No entanto, apenas um número relativamente baixo de estudos investigou a natureza das comunidades bacterianas associadas aos microplásticos, a chamada “Plastisfera”, em ecossistemas de transição costeiros, como praias arenosas ou áreas estuarinas. Tendo isto em conta, foram realizadas duas campanhas de amostragem em dois ecossistemas de transição de Novembro a Dezembro de 2020 onde foram recolhidas amostras de água do estuário do Mondego e de areias da linha costeira adjacente (Figueira da Foz, Portugal) para a análise de microplásticos. Após a extração manual das partículas em condições estéreis, a extração de DNA e a sequenciação do gene 16SrRNA por amplicon high throughput foi utilizado para traçar o perfil das comunidades bacterianas da superfície dos microplásticos e das encontradas nas amostras de água e sedimentos dos ecossistemas de transição. Todas as partículas foram caracterizadas de acordo com o tipo, cor e tamanho e a natureza química das partículas foi inspecionada por espectroscopia μ-FTIR após a extração do DNA.Foram isoladas um total de 89 partículas, a maioria dos microplásticos extraídos do ambiente estuarino foram fibras (87%) e foram identificadas como fibras de Poliacrilonitrilo (PAN) e de Polipropileno (PP), enquanto no ambiente de praia a maioria dos microplásticos foram classificados como fragmentos e espumas (85%) e identificados como microplásticos de Polietileno (PE) e de Poliestireno (PS). Apesar de não terem sido detetadas diferenças significativas entre as comunidades bacterianas e os índices de diversidade α dos microplásticos e dos seus ambientes circundantes, a análise dos dados e da estrutura das comunidades mostraram a ocorrência e abundância de géneros bacterianos tipicamente marinhos nos microplásticos estuarinos que eram escassos ou ausentes das águas estuarinas. Foi ainda identificada uma maior proximidade entre as comunidades bacterianas dos microplásticos estuarinos e as amostras das praias do que com as águas estuarinas. Estas observações sugerem a existência de uma contribuição substancial da trajetória mar-rio para a contaminação global por microplásticos nos estuários. Para além disso, foi também observada a ocorrência e uma maior abundância de grupos bacterianos únicos em microplásticos, tais como agentes patogénicos (p.e. Pseudoalteromonas, Flavobacterium, Lactococcus, Staphylococcus, Acinetobacter, Mycobacterium, e Shewanella). A presença destes membros pode sugerir uma origem de estações de tratamento de águas residuais ou de esgotos, mas serão necessários mais estudos para avaliar esta possibilidade. Estes resultados sublinham a possibilidade de estas partículas poderem atuar como vetores de transmissão e disseminação em ecossistemas de transição. Este estudo revela também a importância do estudo das comunidades bacterianas associadas a microplásticos na compreensão da contaminação ambiental por microplásticos. Apesar de proporcionar novas perspetivas serão necessários mais estudos para aumentar a compreensão sobre este tópico científico recente.

Microplastic (<5 mm) contamination is considered nowadays ubiquitous in the environment and even in an extremely ambitious future scenario (with no further emissions) will continue to increase. Therefore, it is important to evaluate the potential ecological risks and consequences that might outcome not only for today’s environmental microplastic contamination levels but also for possible future levels. One of the current concerns is related to the possibility of microplastics harbour different bacterial communities than those found in their environment and the potential for these particles to act as vectors of transmission and spread of key bacterial groups, such as pathogens. Yet, a relatively low number of studies have investigated the nature of microplastics associated bacterial communities, the so-called “Plastisphere”, in transitional coastal ecosystems, such as sandy beaches or estuarine areas. Taken that into account, two sampling campaign events were conducted in two transitional ecosystems in November-December 2020. Samples of water samples on the Mondego estuary and sand samples on its adjacent coastline were (Figueira da Foz, Portugal) collected for microplastic analysis. After manual sorting of particles under sterile conditions, DNA extraction and 16S rRNA amplicon high throughput sequencing was used to profile the bacterial communities on the surface of microplastics and from those found on the samples of water and sediments from the transitional ecosystems. All particles were characterised according to type, colour and size, and the chemical nature of the particles was inspected by μ-FTIR spectroscopy after DNA extraction.A total of 89 particles were isolated and the majority of microplastics extracted from the estuarine environment were fibres (87%) and were identified as Polyacrylonitrile (PAN) and polypropylene (PP), while on the beach environment the majority of microplastics were fragments and foams (85%) and were identified as Polyethylene (PE) and Polystyrene (PS) microplastics. Although no significant differences were detected between the bacterial communities from distinct samples and between the α-diversity indexes from microplastics and their surrounding environments, data and community structure analyses showed the occurrence and abundance of typical marine-associated bacterial genera on estuarine microplastics that were scarce or absent from estuarine waters. Overall, the bacterial communities in the estuarine microplastics were more related to the beach samples than with the estuarine waters. These observations suggest the existence of a substantial contribution of a sea-river trajectory to the overall estuarine microplastic contamination. Furthermore, it was also observed the occurrence of unique and higher abundance of key bacterial groups on microplastics, such as pathogens (e.g., Pseudoalteromonas, Flavobacterium, Lactococcus, Staphylococcus, Acinetobacter, Mycobacterium, or Shewanella). The presence of these members might suggest a wastewater treatment plant (WWTP) or sewage origin but further research is required to assess this possibility. These results highlight the concern for these particles to act as vectors of transmission and spread in transitional ecosystems. This study also highlights the importance of the study of microplastic-associated bacterial communities to the comprehension of microplastic environmental contamination. Although this study provides new insights into this recent scientific topic, further research will be required to increase our understanding of these topics.