Interações entre microalgas bênticas, ficotoxinas e microplásticos, e potenciais efeitos a organismos marinhos

Abstract

Resumo: A poluição plástica constitui um dos principais desafios ambientais contemporâneos, impulsionada pela liberação contínua de nano- e microplásticos (NMPs) nos ecossistemas marinhos e costeiros. Essas partículas não atuam apenas como contaminantes físicos persistentes, mas também como superfícies reativas capazes de interagir com organismos e compostos químicos na coluna d’água, modificando rotas de exposição e potenciais efeitos tóxicos ao longo das cadeias tróficas. Em ambientes marinhos, os NMPs podem servir como substrato para a colonização de microalgas, incluindo espécies produtoras de toxinas, além de adsorverem compostos lipofílicos dissolvidos na água, como ficotoxinas. Considerando a severidade e o modo de ação generalista das toxinas produzidas por dinoflagelados bênticos nocivos, bem como o amplo espectro de interações potenciais entre NMPs e organismos marinhos, o objetivo geral deste trabalho foi investigar como os NMPs modulam a biodisponibilidade, o transporte e os efeitos biológicos de partículas plásticas e ficotoxinas ao longo de níveis tróficos diversos, desde microalgas até consumidores filtradores. Para isso, foram realizados experimentos laboratoriais controlados integrando a caracterização de partículas plásticas, ensaios de colonização e adsorção, análises fisiológicas e morfológicas em microalgas, além da quantificação de toxinas e abordagens histológicas e multi-ômicas para avaliar os potenciais impactos em bivalves marinhos. Partículas plásticas de diferentes tamanhos, formas e composições apresentaram capacidades distintas de colonização por microalgas bentônicas, bem como de adsorção de toxinas. A colonização ocorre rapidamente, enquanto a adsorção de toxinas lipofílicas é favorecida em partículas menores com superfícies modificadas pelo processo de envelhecimento, cujas propriedades físico-químicas são modificadas por processos ambientais de degradação. Dessa forma, este estudo demonstra que os NMPs podem atuar como reservatórios móveis de células tóxicas e de toxinas dissolvidas, ampliando a persistência e a biodisponibilidade desses compostos em ambientes costeiros. Quando o tamanho das partículas plásticas é inferior ao das microalgas, a interação passa a afetar diretamente os produtores primários. Em células algais expostas, NMPs induziram respostas fisiológicas e morfológicas dependentes do tamanho das partículas, incluindo a redução do crescimento populacional, alterações pigmentares e estresse fotossintético. Partículas menores (0.1 µm) e misturas de tamanhos (0.1, 1 e 2 µm) intensificaram esses efeitos, promovendo agregação celular e acelerando processos de senescência, com potenciais implicações para a dinâmica do fitoplâncton e o destino vertical das partículas plásticas no ambiente marinho. Em níveis tróficos superiores, embora os efeitos diretos dos NMPs já sejam amplamente documentados, a associação entre plásticos e toxinas de algas representa uma via adicional de risco, particularmente relevante para organismos suspensívoros, como os bivalves, que desempenham papel ecológico fundamental e constituem importante fonte de alimento humano. Neste estudo, a incorporação de toxinas adsorvidas aos NMPs resultou em maior retenção do contaminante nos tecidos, intensificação de alterações histológicas e ativação de respostas moleculares associadas a estresse celular, biotransformação e desregulação estrutural, indicando que os plásticos podem amplificar os efeitos tóxicos de ficotoxinas lipofílicas. Em um nível adicional de interação, a incorporação de partículas plásticas por microalgas pode atuar como um mecanismo eficiente de transferência trófica de NMPs para bivalves. As microalgas funcionam como vetores que concentram e redistribuem partículas plásticas, modulando sua biodisponibilidade de acordo com o tamanho das partículas e os processos digestivos do consumidor. Quando oferecidos em conjunto com as microalgas, NMPs dispararam respostas celulares e moleculares específicas em diferentes tecidos, além de potenciais efeitos indiretos dependentes do tempo de maturação da mistura microalga–NMP. De forma integrada, este trabalho demonstra que os NMPs atuam como mediadores dinâmicos de estresse químico e biológico nos ecossistemas marinhos. A relevância desses processos é ampliada pela elevada persistência do lixo plástico no ambiente, consequência direta de uma sociedade fortemente dependente do plástico. O crescente corpo de evidências científicas sobre os impactos negativos do plástico na saúde dos oceanos e da população humana reforça a urgência de transformar conhecimento científico em ação, acelerando a transição para um modelo em que o uso do plástico seja restrito a setores essenciais e associado a estratégias eficazes de redução, gestão e reaproveitamento de resíduos

Abstract: Plastic pollution represents one of the major contemporary environmental challenges, driven by the continuous release of nano- and microplastics (NMPs) into marine and coastal ecosystems. These particles act not only as persistent physical contaminants but also as reactive surfaces that interact with organisms and chemical compounds in the water column, thereby modifying exposure pathways and potential toxic effects along trophic chains. In marine environments, NMPs can serve as substrates for microalgae colonization, including toxin-producing species, while also adsorbing lipophilic compounds dissolved in seawater, such as phycotoxins. Considering the severity and broadly acting modes of action of toxins produced by harmful benthic dinoflagellates, as well as the broad spectrum of potential interactions between microplastics and marine organisms, the general objective of this work was to investigate how NMPs modulate the bioavailability, transport, toxin transfer, and biological effects of plastic particles and phycotoxins across different trophic levels, from microalgae to filter-feeding consumers. To achieve this, controlled laboratory experiments were conducted integrating plastic particle characterization, colonization and toxin adsorption assays, physiological and morphological assessment in exposed microalgae, as well as toxin quantification, histological and multiomics approaches to evaluate the potential impacts to marine bivalves. Plastic particles of different sizes, shapes, and polymeric compositions exhibited distinct capacities for colonization by benthic microalgae and for toxin adsorption. Colonization occurred rapidly, whereas the adsorption of lipophilic toxins was enhanced in smaller particles and by environmentally aged plastic surfaces, whose physicochemical properties are modified by degradation processes. As a result, NMPs can act as mobile reservoirs of toxic cells and dissolved toxins, increasing the persistence and bioavailability of these compounds in coastal environments. When plastic particles are smaller than microalgal cells, plastics can affect primary producers directly. NMPs associated with algal cells induced size-dependent physiological and morphological responses, including reduced population growth, pigment alterations, and photosynthetic stress. Smaller particles (0.1 µm) and mixed-size (0.1, 1 e 2 µm) suspensions intensified these effects, promoting cell aggregation and accelerating senescence processes, with potential implications for phytoplankton dynamics and the vertical fate of plastic particles in marine environments. At higher trophic levels, although the direct effects of NMPs are already well documented, the association between plastics and algal toxins represents an additional risk, particularly relevant for filter-feeding organisms such as bivalves, which play a fundamental ecological role and constitute an important seafood source. The incorporation of toxins adsorbed to NMPs resulted in increased contaminant retention in tissues, intensified histological alterations, and activated molecular responses associated with cellular stress, biotransformation, and structural dysregulation, indicating that plastics can amplify the toxic effects of lipophilic phycotoxins. At an additional level of interaction, the incorporation of plastic particles by microalgae can act as an efficient mechanism for the trophic transfer of NMPs to bivalves. Microalgae act as vectors concentrate and redistribute plastic particles, modulating their bioavailability according to particle size and the consumer’s digestive processes. When offered together with microalgal cells, NMPs induce tissue-specific cellular and molecular responses, as well as potential indirect effects depending on the exposure route. Overall, this work demonstrates that NMPs act as dynamic mediators of chemical and biological stress in marine ecosystems. The high persistence of plastic debris amplifies the environmental relevance of these processes, a direct consequence of a society strongly dependent on plastic materials. The growing body of scientific evidence documenting the negative impacts of plastics on ocean and human health reinforces the urgency of translating scientific knowledge into action, accelerating the transition toward a model in which plastic use is restricted to essential sectors and coupled with practical strategies for waste reduction, management, and recycling