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Theses Year : 2020

Microplastics in the marine environment : an ecotoxicological perspective

Microplastiques dans l’environnement marin : une perspective écotoxicologique

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Abstract

Oceanic plastic pollution is of major concern, with several million tons of plastic dumped in the ocean every year that are causing health threat to marine creatures. Impacts have been found at all the trophic chain levels from the zooplankton to the megafauna, but little is known on its impact on the microbial life and its crucial role in the oceanic ecosystem functioning. The objective of this thesis was to study the ecotoxicity of plastics in the marine environment. The first handled question was: how much the abundance, diversity and activity of bacterial life growing on plastic, i.e. the ‘plastisphere’ are driven by the chemical properties of the polymer and the environmental changes (Chapter 2)? Polyethylene (PE) and polylactide acid (PLA) together with glass controls in the forms of meso-debris (18mm diameter) and large-microplastics (LMP; 3mm diameter), as well as small-microplastics (SMP; of 100 m diameter with spherical and irregular shapes) were immerged during 2 months in seawater. We found that the plastic chemical composition, the successive phases of biofilm formation and the phytoplankton-bacteria interactions were more important factors driving the abundance, diversity and activity of the plastisphere as compared to material size and shape. The second handled question was: would the microplastic (polystyrene PS; 50-100 µm; three concentrations) together with their mature biofilm be toxic for the marine filter-feeder Branchiostoma lanceolatum and how much the plastisphere can influence this toxicity (Chapter 3)? We used a large set of complementary techniques to follow the microplastic ingestion (microscopy quantification) and the modification of the gut microbiota (16S rRNA Illumina Miseq sequencing), the gene expression of immune system, oxidative stress and apoptosis (Nanostring) and also histopathology (transmission electron microscopy). No obvious toxicity was observed, while microplastics could be a vector for bacteria to the gut microbiome, can induce more goblet cell differentiation and can surprisingly have a positive effect by supplying nutrients to amphioxus in the form of bacteria and diatoms from the plastisphere. The third handled question was: how much the conventional petroleum-based microbeads classically used in cosmetics can be substituted by other polymers for their biodegradability by the plastisphere in marine environment? (Chapter 4). We used complementary techniques to follow the 4 biodegradation steps including biodeterioration (granulometry, gravimetry and FTIR spectroscopy), biofragmentation (size exclusion chromatography, 1H nuclear magnetic resonance and high-resolution mass spectrometry), bioassimilation and mineralization (1H nuclear magnetic resonance and oxygen measurements). We concluded that microbeads made of polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate (PHBV) or rice and in a lesser extend polycaprolactone (PCL) and apricot were good candidates for substitution of conventional microplastics, classically made of PE or polymethyl methacrylate (PMMA) that were not biodegraded under our conditions. Interestingly, the biobased PLA was not biodegradable but the petroleum-based PCL was biodegradable under our marine conditions.
La pollution plastique océanique est l’une préoccupation majeure de notre siècle, avec plusieurs millions de tonnes de plastique déversées dans l'océan chaque année qui menacent la santé des écosystèmes. Les effets des plastiques ont été identifiés à tous les niveaux de la chaîne trophique, du zooplancton à la mégafaune, mais leurs effets sur la vie des microorganismes et sur leur rôle crucial dans le fonctionnement de l'écosystème océanique restent méconnus. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'écotoxicité des plastiques en milieu marin. La première question traitée était : dans quelle mesure l'abondance, la diversité et l'activité de la vie bactérienne se développant sur le plastique, nommée «plastisphère», sont influencées par les propriétés chimiques du polymère et les changements environnementaux (chapitre 2)? Ce point a été abordé en immergeant pendant 2 mois dans l'eau de mer du Polyéthylène (PE), de l’acide polylactide (PLA) ainsi que du verre comme témoin, sous différentes formes : méso-débris (18 mm de diamètre), grands microplastiques (LMP; 3 mm de diamètre), et petits microplastiques (SMP; de 100 µm de diamètre de formes sphériques et irrégulières). Nous avons constaté que la composition chimique du plastique, les phases successives de formation du biofilm et les interactions phytoplancton-bactéries étaient des facteurs déterminants de l'abondance, de la diversité et de l'activité de la plastisphère a contrario de la taille et à la forme du matériau.La deuxième question traitée était : le microplastique (polystyrène PS; 50-100 µm; trois concentrations) ainsi que leur biofilm mature seraient-ils toxiques pour le filtre-filtreur marin Branchiostoma lanceolatum et dans quelles mesures la plastisphère peut-elle influencer cette toxicité (chapitre 3)? Nous avons utilisé un large éventail de techniques complémentaires pour suivre l'ingestion des microplastiques (quantification microscopique) à l’origine d’une potentielle modification du microbiote intestinal de l’hôte (séquençage 16S rRNA Illumina Miseq). La réponse physiologique de l’hôte a également été suivie au travers de l’expression génique du système immunitaire, du stress oxydatif et de l’apoptose (Nanostring) ainsi que par histopathologie ( La microscopie électronique à transmission). Aucune toxicité évidente n'a été observée, alors que les microplastiques pourraient être un vecteur de modification du microbiome intestinal, et qu’une plus grande différenciation des cellules a été observée au niveau des tissus intestinaux. La troisième question traitée était: Existe-t-il des alternatives aux microbilles pétrochimiques conventionnels utilisées en cosmétique biodégradables en milieu marin? (Chapitre 4). Nous avons utilisé une approche multidisciplinaire pour suivre les 4 étapes de biodégradation dont la 1/biodétérioration (granulométrie, gravimétrie et spectroscopie FTIR), 2/la biofragmentation (chromatographie d'exclusion de taille, résonance magnétique nucléaire 1H et spectrométrie de masse à haute résolution), 3/la bioassimilation et 4/la minéralisation (résonance magnétique nucléaire 1H et mesures de l'oxygène) sur différentes formes de microbilles en présence de bactéries marines. Après 60 jours d’incubation, nos résultats ont permis d’identifier des microbilles de polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalérate (PHBV) ou de riz et dans une moindre mesure de polycaprolactone (PCL) et d'abricot comme alternatives aux microplastiques conventionnels, en PE ou en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) non biodégradés dans nos conditions. Fait remarquable, le PLA biosourcé n'était pas biodégradable, mais le PCL pétrochimique était biodégradable dans nos conditions marines.
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tel-03377087 , version 1 (14-10-2021)

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  • HAL Id : tel-03377087 , version 1

Cite

Jingguang Cheng. Microplastics in the marine environment : an ecotoxicological perspective. Ecology, environment. Sorbonne Université, 2020. English. ⟨NNT : 2020SORUS025⟩. ⟨tel-03377087⟩
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