TY - THES A1 - Kettner, Marie Therese T1 - Microbial colonization of microplastic particles in aquatic systems T1 - Mikrobielle Besiedlung von Mikroplastik-Partikeln in aquatischen Systemen N2 - The continuously increasing pollution of aquatic environments with microplastics (plastic particles < 5 mm) is a global problem with potential implications for organisms of all trophic levels. For microorganisms, trillions of these floating microplastics particles represent a huge surface area for colonization. Due to the very low biodegradability, microplastics remain years to centuries in the environment and can be transported over thousands of kilometers together with the attached organisms. Since also pathogenic, invasive, or otherwise harmful species could be spread this way, it is essential to study microplastics-associated communities. For this doctoral thesis, eukaryotic communities were analyzed for the first time on microplastics in brackish environments and compared to communities in the surrounding water and on the natural substrate wood. With Illumina MiSeq high-throughput sequencing, more than 500 different eukaryotic taxa were detected on the microplastics samples. Among them were various green algae, dinoflagellates, ciliates, fungi, fungal-like protists and small metazoans such as nematodes and rotifers. The most abundant organisms was a dinoflagellate of the genus Pfiesteria, which could include fish pathogenic and bloom forming toxigenic species. Network analyses revealed that there were numerous interaction possibilities among prokaryotes and eukaryotes in microplastics biofilms. Eukaryotic community compositions on microplastics differed significantly from those on wood and in water, and compositions were additionally distinct among the sampling locations. Furthermore, the biodiversity was clearly lower on microplastics in comparison to the diversity on wood or in the surrounding water. In another experiment, a situation was simulated in which treated wastewater containing microplastics was introduced into a freshwater lake. With increasing microplastics concentrations, the resulting bacterial communities became more similar to those from the treated wastewater. Moreover, the abundance of integrase I increased together with rising concentrations of microplastics. Integrase I is often used as a marker for anthropogenic environmental pollution and is further linked to genes conferring, e.g., antibiotic resistance. This dissertation gives detailed insights into the complexity of prokaryotic and eukaryotic communities on microplastics in brackish and freshwater systems. Even though microplastics provide novel microhabitats for various microbes, they might also transport toxigenic, pathogenic, antibiotic-resistant or parasitic organisms; meaning their colonization can pose potential threats to humans and the environment. Finally, this thesis explains the urgent need for more research as well as for strategies to minimize the global microplastic pollution. N2 - Die stetig steigende Verschmutzung der Gewässer mit Mikroplastik (Plastikteilchen < 5 mm) ist ein weltweites Umweltproblem und wirkt sich potentiell auf Organismen aller trophischen Ebenen aus. Für Mikroorganismen stellen Billionen dieser schwimmenden Mikroplastik-partikel eine riesige Fläche zur Besiedlung dar. Aufgrund der sehr schlechten Abbaubarkeit verbleibt Mikroplastik Jahre bis Jahrhunderte in der Umwelt und kann samt der angehefteten Organismen über mehrere Tausend Kilometer weit transportiert werden. Da sich darüber auch pathogene, invasive oder anderweitig gefährliche Arten verbreiten könnten, ist es essentiell, die Mikroplastik-assoziierten Gemeinschaften zu untersuchen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden erstmals die eukaryotischen Gemeinschaften auf Mikroplastik in Brackwasser-Habitaten analysiert und mit Gemeinschaften aus dem umgebenden Wasser und auf dem natürlichen Substrat Holz verglichen. Mit Illumina MiSeq Hochdurchsatz-Sequenzierungs-Verfahren wurde ermittelt, dass über 500 verschiedene eukaryotische Taxa auf den Mikroplastikproben vorkamen. Dazu gehörten unterschiedliche Grünalgen, Dinoflagellaten, Ciliaten, Pilze, pilz-ähnliche Protisten und kleine Metazoen wie Fadenwürmer oder Rädertierchen. Am häufigsten kamen Dinoflagellaten der Gattung Pfiesteria vor, zu der möglicherweise fischpathogene und toxische Algenblüten-bildende Arten gehören könnten. Netzwerk-Analysen zeigten, dass es auf Mikroplastik eine Vielzahl von Interaktionsmöglichkeiten zwischen den vorhandenen Eukaryoten und Prokaryoten gibt. Die Zusammensetzungen der Eukaryoten-Gemeinschaften auf Mikroplastik unterschieden sich signifikant von jenen auf Holz und im umgebenden Wasser, aber auch zwischen den verschiedenen Probenahme-Standorten. Die Mikroplastikproben wiesen im Vergleich zu Wasser und Holz die geringste Biodiversität auf. In einem weiteren Experiment wurde simuliert, dass Mikroplastik-haltiges Wasser aus dem Ablauf einer Kläranlage in einen See eingeleitet wird. Bei hohen Mikroplastikkonzentrationen reicherten sich besonders Bakterien aus dem Kläranlagenablauf an. Zudem hatten die Bakteriengemeinschaften auf Mikroplastik ein signifikant erhöhtes Vorkommen eines bestimmten genetischen Markers (Integrase I), welcher auf anthropogene Umweltverschmutzung hindeutet, sowie mit Genen verknüpft ist, die z. B. Antibiotika-Resistenzen übertragen können. Die Versuchsergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen einerseits, wie komplex und vielseitig das mikrobielle Leben auf Mikroplastik sein kann, andererseits könnten diese Partikel aber auch Transportvehikel für toxische, pathogene, antibiotika-resistente oder parasitäre Organismen darstellen. Somit birgt ihre Besiedlung potentielle Gefahren für Mensch und Umwelt. Darüber hinaus weist diese Arbeit auf dringenden Forschungsbedarf hin und verdeutlicht die Notwendigkeit der Eindämmung der globalen Mikroplastik-Verschmutzung. KW - microplastics KW - eukaryotes KW - sequencing KW - fungi KW - biofilm KW - biodiversity KW - Biodiversität KW - Biofilm KW - Eukaryoten KW - Pilze KW - Mikroplastik KW - Sequenzierung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418854 ER - TY - THES A1 - Arias Andrés, María de Jesús T1 - Microbial gene exchange on microplastic particles T1 - Mikrobieller Gentransfer auf Mikroplastikpartikel N2 - Plastic pollution is ubiquitous on the planet since several millions of tons of plastic waste enter aquatic ecosystems each year. Furthermore, the amount of plastic produced is expected to increase exponentially shortly. The heterogeneity of materials, additives and physical characteristics of plastics are typical of these emerging contaminants and affect their environmental fate in marine and freshwaters. Consequently, plastics can be found in the water column, sediments or littoral habitats of all aquatic ecosystems. Most of this plastic debris will fragment as a product of physical, chemical and biological forces, producing particles of small size. These particles (< 5mm) are known as “microplastics” (MP). Given their high surface-to-volume ratio, MP stimulate biofouling and the formation of biofilms in aquatic systems. As a result of their unique structure and composition, the microbial communities in MP biofilms are referred to as the “Plastisphere.” While there is increasing data regarding the distinctive composition and structure of the microbial communities that form part of the plastisphere, scarce information exists regarding the activity of microorganisms in MP biofilms. This surface-attached lifestyle is often associated with the increase in horizontal gene transfer (HGT) among bacteria. Therefore, this type of microbial activity represents a relevant function worth to be analyzed in MP biofilms. The horizontal exchange of mobile genetic elements (MGEs) is an essential feature of bacteria. It accounts for the rapid evolution of these prokaryotes and their adaptation to a wide variety of environments. The process of HGT is also crucial for spreading antibiotic resistance and for the evolution of pathogens, as many MGEs are known to contain antibiotic resistance genes (ARGs) and genetic determinants of pathogenicity. In general, the research presented in this Ph.D. thesis focuses on the analysis of HGT and heterotrophic activity in MP biofilms in aquatic ecosystems. The primary objective was to analyze the potential of gene exchange between MP bacterial communities vs. that of the surrounding water, including bacteria from natural aggregates. Moreover, the thesis addressed the potential of MP biofilms for the proliferation of biohazardous bacteria and MGEs from wastewater treatment plants (WWTPs) and associated with antibiotic resistance. Finally, it seeks to prove if the physiological profile of MP biofilms under different limnological conditions is divergent from that of the water communities. Accordingly, the thesis is composed of three independent studies published in peer-reviewed journals. The two laboratory studies were performed using both model and environmental microbial communities. In the field experiment, natural communities from freshwater ecosystems were examined. In Chapter I, the inflow of treated wastewater into a temperate lake was simulated with a concentration gradient of MP particles. The effects of MP on the microbial community structure and the occurrence of integrase 1 (int 1) were followed. The int 1 is a marker associated with mobile genetic elements and known as a proxy for anthropogenic effects on the spread of antimicrobial resistance genes. During the experiment, the abundance of int1 increased in the plastisphere with increasing MP particle concentration, but not in the surrounding water. In addition, the microbial community on MP was more similar to the original wastewater community with increasing microplastic concentrations. Our results show that microplastic particles indeed promote persistence of standard indicators of microbial anthropogenic pollution in natural waters. In Chapter II, the experiments aimed to compare the permissiveness of aquatic bacteria towards model antibiotic resistance plasmid pKJK5, between communities that form biofilms on MP vs. those that are free-living. The frequency of plasmid transfer in bacteria associated with MP was higher when compared to bacteria that are free-living or in natural aggregates. Moreover, comparison increased gene exchange occurred in a broad range of phylogenetically-diverse bacteria. The results indicate a different activity of HGT in MP biofilms, which could affect the ecology of aquatic microbial communities on a global scale and the spread of antibiotic resistance. Finally, in Chapter III, physiological measurements were performed to assess whether microorganisms on MP had a different functional diversity from those in water. General heterotrophic activity such as oxygen consumption was compared in microcosm assays with and without MP, while diversity and richness of heterotrophic activities were calculated by using Biolog® EcoPlates. Three lakes with different nutrient statuses presented differences in MP-associated biomass build up. Functional diversity profiles of MP biofilms in all lakes differed from those of the communities in the surrounding water, but only in the oligo-mesotrophic lake MP biofilms had a higher functional richness compared to the ambient water. The results support that MP surfaces act as new niches for aquatic microorganisms and can affect global carbon dynamics of pelagic environments. Overall, the experimental works presented in Chapters I and II support a scenario where MP pollution affects HGT dynamics among aquatic bacteria. Among the consequences of this alteration is an increase in the mobilization and transfer efficiency of ARGs. Moreover, it supposes that changes in HGT can affect the evolution of bacteria and the processing of organic matter, leading to different catabolic profiles such as demonstrated in Chapter III. The results are discussed in the context of the fate and magnitude of plastic pollution and the importance of HGT for bacterial evolution and the microbial loop, i.e., at the base of aquatic food webs. The thesis supports a relevant role of MP biofilm communities for the changes observed in the aquatic microbiome as a product of intense human intervention. N2 - Die Plastikverschmutzung ist auf dem Planeten allgegenwärtig, da jährlich mehrere Millionen Tonnen Plastikabfall in die aquatische Ökosystemen gelangen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Menge an produziertem Plastik in naher Zukunft exponentiell ansteigen wird. Die Heterogenität der Kunststoffmaterialien, ihrer Additive und physikalischen Eigenschaften ist typisch für diese neu auftretenden Schadstoffe und beeinflusst deren Umweltverhalten in Meeres- und Süßwasser. Als Folge kann Plastik in der Wassersäule, den Sedimenten oder Küstenlebensräumen aller aquatischen Ökosysteme gefunden werden. Die meisten dieser Plastikabfälle fragmentieren durch das Zusammenspiel physikalischer, chemischer und biologischer Kräfte, wodurch kleine Partikel erzeugt werden. Diese Partikel (<5mm) sind auch bekannt als "Mikroplastik" (MP). Aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses stimuliert MP das Biofouling und somit die Bildung von Biofilmen in aquatischen Systemen. Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Zusammensetzung werden die mikrobiellen Gemeinschaften in MP-Biofilmen als "Plastisphäre" bezeichnet. Während es immer mehr Daten über die spezifische Zusammensetzung und Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften – die Teil dieser Plastisphäre sind – gibt, existieren hingegen nur wenige Informationen über die Aktivität von Mikroorganismen in MP-Biofilmen. Dieser Lebensstil des Anheftens und Besiedelns von Oberflächen ist oft mit der Zunahme von horizontalem Gentransfer (HGT) unter Bakterien verknüpft. Diese Art der mikrobiellen Aktivität stellt eine besonders relevante Funktion dar und sollte daher in MP-Biofilmen analysiert werden. Der horizontale Austausch von mobilen genetischen Elementen (MGEs) ist ein wesentliches Merkmal von Bakterien. Er ist verantwortlich für die schnelle Evolution dieser Prokaryoten und ihre Anpassungsfähigkeit an verschiedenste Umweltbedingungen. Der Prozess des HGT ist zudem entscheidend für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen sowie für die Entwicklung von Pathogenen, da viele MGEs bekanntermaßen Antibiotikaresistenzgene (ARGs) und genetische Determinanten für Pathogenität enthalten. Im Allgemeinen konzentriert sich die Forschung in der vorliegenden Dissertation auf die Analyse des HGT und der heterotrophen Aktivität in MP-Biofilmen in aquatischen Ökosystemen. Das Hauptziel besteht darin, das Potenzial des Genaustausches zwischen MP-Bakteriengemeinschaften und dem des umgebenden Wassers, einschließlich der Bakterien in natürlichen Aggregaten, zu analysieren. Darüber hinaus befasst sich diese Doktorarbeit mit dem Potenzial von MP-Biofilmen zur Ausbreitung biologisch gefährlicher Bakterien und MGEs, die aus Kläranlagen stammen und mit Antibiotikaresistenzen assoziiert sind. Schließlich soll bei verschiedenen limnologischen Bedingungen überprüft werden, ob das jeweilige physiologische Profil von MP-Biofilmen von dem der Wassergemeinschaften abweicht. Dementsprechend besteht die Arbeit aus drei unabhängigen Studien, die in Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. In den beiden Laborstudien wurden sowohl mikrobielle Modell- als auch Umwelt-Gemeinschaften betrachtet. Im Freilandexperiment wurden schließlich die natürlichen Gemeinschaften aus Süßwasserökosystemen untersucht. In Kapitel I wurde der Zufluss von geklärtem Abwasser mit einem Konzentrationsgradienten von MP-Partikeln in einen See der gemäßigten Klimazone simuliert. Dabei wurden die Effekte von MP auf die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur und das Auftreten von Integrase 1 (int 1) verfolgt. Int 1 ist ein Marker, der mit mobilen genetischen Elementen assoziiert ist und zur Abschätzung anthropogener Einflüsse auf die Ausbreitung antimikrobieller Resistenzgene verwendet ist. Während des Experiments erhöhte sich das Vorkommen von Int1 in der Plastisphäre mit zunehmender MP-Partikelkonzentration, jedoch nicht im umgebenden Wasser. Darüber hinaus ähnelte die mikrobielle Gemeinschaft auf MP zunehmend der ursprünglichen Abwassergemeinschaft mit steigender Mikroplastikkonzentration. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Mikroplastikpartikel tatsächlich die Persistenz von Standardindikatoren mikrobieller anthropogener Verschmutzung in natürlichen Gewässern fördern. In Kapitel II wurde die Permissivität von aquatischen Bakterien gegen das Modell-Plasmid für Antibiotikaresistenz pKJK5 zwischen Gemeinschaften, die Biofilme auf MP bilden, gegenüber denen, die frei leben, verglichen. Die Häufigkeit des Plasmidtransfers unter den MP-assoziierten Bakterien war höher als unter Bakterien, die frei oder in natürlichen Aggregaten leben. Der verstärkte Genaustausch trat darüber hinaus bei einem breiten Spektrum phylogenetisch diverser Bakterien auf. Die Ergebnisse deuten auf eine unterschiedliche Aktivität von HGT in MP-Biofilmen hin, welche die Ökologie aquatischer mikrobieller Gemeinschaften auf globaler Ebene sowie die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beeinflussen könnten. Schließlich wurden in Kapitel III physiologische Messungen durchgeführt, um festzustellen, ob Mikroorganismen auf MP eine andere funktionelle Diversität aufwiesen als jene im Wasser. Die generelle heterotrophe Aktivität, wie der Sauerstoffverbrauch, wurde in Mikrokosmentests mit und ohne MP verglichen, während die Diversität und Vielfalt heterotropher Aktivitäten mit Hilfe von Biolog® EcoPlates berechnet wurden. Drei Seen mit unterschiedlichen Nährstoffbedingungen wiesen Unterschiede in der Ausprägung der MP-assoziierten Biomasse auf. In allen Seen unterschieden sich die funktionellen Diversitätsprofile der MP-Biofilme von denen der Gemeinschaften im umgebenden Wasser, aber nur die MP-Biofilme des oligo-mesotrophen Sees hatten eine höhere funktionelle Vielfalt im Verglichen zum Umgebungswasser. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass MP-Oberflächen als neue Nischen für aquatische Mikroorganismen fungieren und die globale Kohlenstoffdynamik im Pelagial beeinflussen können. Insgesamt unterstützen die in den Kapiteln I und II vorgestellten experimentellen Studien ein Szenario, in dem die Umweltverschmutzung durch MP die HGT-Dynamik zwischen aquatischen Bakterien beeinflusst. Zu den Folgen dieser Veränderung gehört eine Erhöhung der Mobilisierungs- und Übertragungseffizienz von ARGs. Darüber hinaus wird vermutet, dass eine Beeinflussung des HGT die Evolution von Bakterien und die Umsetzung von organischem Material verändern könnte, was zu verschiedenen katabolischen Profilen führt, wie in Kapitel III gezeigt. Die Ergebnisse werden in Zusammenhang mit dem Ausmaß der Plastikverschmutzung sowie der Bedeutung von HGT für die bakterielle Entwicklung und „mikrobielle Schleife“, d. h. an der Basis der aquatischen Nahrungsnetze, diskutiert. Diese Doktorarbeit veranschaulicht die Bedeutung von MP-Biofilmgemeinschaften für die beobachteten Veränderungen des aquatischen Mikrobioms als eine Folge der intensiven anthropogenen Eingriffe. KW - microplastics KW - horizontal gene transfer KW - aquatic ecosystem KW - microorganisms KW - Mikroplastikpartikel KW - horizontaler Gentransfer KW - aquatische Ökosysteme KW - Mikroorganismen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417241 ER - TY - JOUR A1 - Drago, Claudia A1 - Pawlak, Julia A1 - Weithoff, Guntram T1 - Biogenic aggregation of small microplastics alters their ingestion by a common freshwater micro-invertebrate JF - Frontiers in Environmental Science N2 - In recent years, increasing concerns have been raised about the environmental risk of microplastics in freshwater ecosystems. Small microplastics enter the water either directly or accumulate through disintegration of larger plastic particles. These particles might then be ingested by filter-feeding zooplankton, such as rotifers. Particles released into the water may also interact with the biota through the formation of aggregates, which might alter the uptake by zooplankton. In this study, we tested for size-specific aggregation of polystyrene microspheres and their ingestion by a common freshwater rotifer Brachionus calyciflorus. The ingestion of three sizes of polystyrene microspheres (MS) 1-, 3-, and 6-mu m was investigated. Each MS size was tested in combination with three different treatments: MS as the sole food intake, MS in association with food algae and MS aggregated with biogenic matter. After 72 h incubation in pre-filtered natural river water, the majority of the 1-mu m spheres occurred as aggregates. The larger the particles, the higher the relative number of single particles and the larger the aggregates. All particles were ingested by the rotifer following a Type-II functional response. The presence of algae did not influence the ingestion of the MS for all three sizes. The biogenic aggregation of microspheres led to a significant size-dependent alteration in their ingestion. Rotifers ingested more microspheres (MS) when exposed to aggregated 1- and 3-mu m MS as compared to single spheres, whereas fewer aggregated 6-mu m spheres were ingested. This indicates that the small particles when aggregated were in an effective size range for Brachionus, while the aggregated larger spheres became too large to be efficiently ingested. These observations provide the first evidence of a size- and aggregation-dependent feeding interaction between microplastics and rotifers. Microplastics when aggregated with biogenic particles in a natural environment can rapidly change their size-dependent availability. The aggregation properties of microplastics should be taken into account when performing experiments mimicking the natural environment. KW - microplastics ingestion KW - Brachionus calyciflorus KW - aggregation KW - microplastics KW - polystyrene KW - functional response Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.3389/fenvs.2020.574274 SN - 2296-665X VL - 8 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - JOUR A1 - Wright, Stephanie L. A1 - Ulke, Jannis A1 - Font, Anna A1 - Chan, Ka Lung Andrew A1 - Kelly, Frank J. T1 - Atmospheric microplastic deposition in an urban environment and an evaluation of transport JF - Environment international N2 - Microplastics are a global environmental issue contaminating aquatic and terrestrial environments. They have been reported in atmospheric deposition, and indoor and outdoor air, raising concern for public health due to the potential for exposure. Moreover, the atmosphere presents a new vehicle for microplastics to enter the wider environment, yet our knowledge of the quantities, characteristics and pathways of airborne microplastics is sparse. Here we show microplastics in atmospheric deposition in a major population centre, central London. Microplastics were found in all samples, with deposition rates ranging from 575 to 1008 microplastics/m(2)/d. They were found in various shapes, of which fibrous microplastics accounted for the great majority (92%). Across all samples, 15 different petrochemical-based polymers were identified. Bivariate polar plots indicated dependency on wind, with different source areas for fibrous and non-fibrous airborne microplastics. This is the first evidence of airborne microplastics in London and confirms the need to include airborne pathways when consolidating microplastic impacts on the wider environment and human health. KW - microplastics KW - atmospheric deposition KW - air pollution KW - urban Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.105411 SN - 0160-4120 SN - 1873-6750 VL - 136 PB - Elsevier, Pergamon Press CY - New York, NY [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Kim, Shin Woong A1 - Leifheit, Eva F. A1 - Maaß, Stefanie A1 - Rillig, Matthias C. T1 - Time-dependent toxicity of tire particles on soil nematodes JF - Frontiers in Environmental Science N2 - Tire-wear particles (TWPs) are being released into the environment by wearing down during car driving, and are considered an important microplastic pollution source. The chemical additive leaching from these polymer-based materials and its potential effects are likely temporally dynamic, since amounts of potentially toxic compounds can gradually increase with contact time of plastic particles with surrounding media. In the present study, we conducted soil toxicity tests using the soil nematode Caenorhabditis elegans with different soil pre-incubation (30 and 75 days) and exposure (short-term exposure, 2 days; lifetime exposure, 10 days) times. Soil pre-incubation increased toxicity of TWPs, and the effective concentrations after the pre-incubation were much lower than environmentally relevant concentrations. The lifetime of C. elegans was reduced faster in the TWP treatment groups, and the effective concentration for lifetime exposure tests were 100- to 1,000-fold lower than those of short-term exposure tests. Water-extractable metal concentrations (Cr, Cu, Ni, Pb, and Zn) in the TWP-soils showed no correlation with nominal TWP concentrations or pre-incubation times, and the incorporated metals in the TWPs may be not the main reason of toxicity in this study. Our results show that toxic effects of TWPs can be time-dependent, both in terms of the microplastic particles themselves and their interactions in the soil matrix, but also because of susceptibility of target organisms depending on developmental stage. It is vital that future works consider these aspects, since otherwise effects of microplastics and TWPs could be underestimated. KW - Caenorhabditis elegans KW - exposure time KW - lifetime KW - microplastics KW - soil KW - incubation Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.744668 SN - 2296-665X VL - 9 PB - Frontiers Media CY - Lausanne ER - TY - GEN A1 - Drago, Claudia A1 - Weithoff, Guntram T1 - Variable Fitness Response of Two Rotifer Species Exposed to Microplastics Particles BT - The Role of Food Quantity and Quality T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Plastic pollution is an increasing environmental problem, but a comprehensive understanding of its effect in the environment is still missing. The wide variety of size, shape, and polymer composition of plastics impedes an adequate risk assessment. We investigated the effect of differently sized polystyrene beads (1-, 3-, 6-µm; PS) and polyamide fragments (5–25 µm, PA) and non-plastics items such as silica beads (3-µm, SiO2) on the population growth, reproduction (egg ratio), and survival of two common aquatic micro invertebrates: the rotifer species Brachionus calyciflorus and Brachionus fernandoi. The MPs were combined with food quantity, limiting and saturating food concentration, and with food of different quality. We found variable fitness responses with a significant effect of 3-µm PS on the population growth rate in both rotifer species with respect to food quantity. An interaction between the food quality and the MPs treatments was found in the reproduction of B. calyciflorus. PA and SiO2 beads had no effect on fitness response. This study provides further evidence of the indirect effect of MPs in planktonic rotifers and the importance of testing different environmental conditions that could influence the effect of MPs. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1248 KW - microplastics KW - population growth rate KW - polystyrene KW - polyamide KW - silica beads KW - fitness response KW - rotifers KW - Brachionus fernandoi KW - Brachionus calyciflorus KW - egg ratio Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552615 SN - 1866-8372 IS - 1248 ER - TY - JOUR A1 - Drago, Claudia A1 - Weithoff, Guntram T1 - Variable Fitness Response of Two Rotifer Species Exposed to Microplastics Particles BT - The Role of Food Quantity and Quality JF - Toxics N2 - Plastic pollution is an increasing environmental problem, but a comprehensive understanding of its effect in the environment is still missing. The wide variety of size, shape, and polymer composition of plastics impedes an adequate risk assessment. We investigated the effect of differently sized polystyrene beads (1-, 3-, 6-µm; PS) and polyamide fragments (5–25 µm, PA) and non-plastics items such as silica beads (3-µm, SiO2) on the population growth, reproduction (egg ratio), and survival of two common aquatic micro invertebrates: the rotifer species Brachionus calyciflorus and Brachionus fernandoi. The MPs were combined with food quantity, limiting and saturating food concentration, and with food of different quality. We found variable fitness responses with a significant effect of 3-µm PS on the population growth rate in both rotifer species with respect to food quantity. An interaction between the food quality and the MPs treatments was found in the reproduction of B. calyciflorus. PA and SiO2 beads had no effect on fitness response. This study provides further evidence of the indirect effect of MPs in planktonic rotifers and the importance of testing different environmental conditions that could influence the effect of MPs. KW - microplastics KW - population growth rate KW - polystyrene KW - polyamide KW - silica beads KW - fitness response KW - rotifers KW - Brachionus fernandoi KW - Brachionus calyciflorus KW - egg ratio Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/toxics9110305 SN - 2305-6304 VL - 9 IS - 11 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Leiser, Rico T1 - Biogeochemical processes governing microplastic transport in freshwater reservoirs N2 - The presented study investigated the influence of microbial and biogeochemical processes on the physical transport related properties and the fate of microplastics in freshwater reservoirs. The overarching goal was to elucidate the mechanisms leading to sedimentation and deposition of microplastics in such environments. This is of importance, as large amounts of initially buoyant microplastics are found in reservoir sediments worldwide. However, the transport processes which lead to microplastics accumulation in sediments, were up to now understudied. The impact of biofilm formation on the density and subsequent sedimentation of microplastics was investigated in the eutrophic Bautzen reservoirs (Chapter 2). Biofilms are complex microbial communities fixed to submerged surfaces through a slimy organic film. The mineral calcite was detected in the biofilms, which led to the sinking of the overgrown microplastic particles. The calcite was of biogenic origin, most likely precipitated by sessile cyanobacteria within the biofilms. Biofilm formation was also studied in the mesotrophic Malter reservoir. Unlike in Bautzen reservoir, biofilm formation did not govern the sedimentation of different microplastics in Malter reservoir (Chapter 3). Instead autumnal lake mixing led to the formation of sinking aggregates of microplastics and iron colloids. Such colloids form when anoxic, iron-rich water from the hypolimnion mixes with the oxygenated epilimnetic waters. The colloids bind organic material from the lake water, which leads to the formation of large and sinking iron-organo flocs. Hence, iron-organo floc formation and their influence on the buoyancy or burial of microplastics into sediments of Bautzen reservoir was studied in laboratory experiments (Chapter 4). Microplastics of different shapes (fiber, fragment, sphere) and sizes were readily incorporated into sinking iron-organo flocs. By this initially buoyant polyethylene microplastics were transported on top of sediments from Bautzen reservoir. Shortly after deposition, the microplastic bearing flocs started to subside and transported the pollutants into deeper sediment layers. The microplastics were not released from the sediments within two months of laboratory incubation. The stability of floc microplastic deposition was further investigated employing experiments with the iron reducing model organism Shewanella oneidensis (Chapter 5). It was shown, that reduction or re-mineralization of the iron minerals did not affect the integrity of the iron-organo flocs. The organic matrix was stable under iron reducing conditions. Hence, no incorporated microplastics were released from the flocs. As similar processes are likely to take place in natural sediments, this might explain the previous described low microplastic release from the sediments. This thesis introduced different mechanisms leading to the sedimentation of initially buoyant microplastics and to their subsequent deposition in freshwater reservoirs. Novel processes such as the aggregation with iron-organo flocs were identified and the understudied issue of biofilm densification through biogenic mineral formation was further investigated. The findings might have implications for the fate of microplastics within the river-reservoir system and outline the role of freshwater reservoirs as important accumulation zone for microplastics. Microplastics deposited in the sediments of reservoirs might not be transported further by through flowing river. Hence the study might contribute to better risk assessment and transport balances of these anthropogenic contaminants. N2 - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss mikrobiologischer und biogeochemischer Prozesse auf die physikalischen Transporteigenschaften und den Verbleib von Mikroplastik in Stauseen. Ein Schwerpunkt lag auf der Untersuchung von Mechanismen, welche die Sedimentation von Mikroplastik einleiten. Dies ist von hoher Relevanz, da große Mengen eigentlich schwimmfähigen Mikroplastiks in Stauseesedimenten gefunden werden, aber die Transportprozesse vom Wasser in das Sediment bislang unbekannt waren. In der eutrophen Talsperre Bautzen wurde der Einfluss der Biofilmbildung auf die Dichte und Sedimentation von Mikroplastik untersucht (Kapitel 2). Biofilme sind komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaften, welche sich in Form schleimiger Filme auf im Wasser befindlichen Oberflächen bilden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der starken Dichtezunahme beziehungsweise dem Absinken der bewachsenen Partikel und dem Vorhandensein des Minerals Calcit innerhalb des aufwachsenden Biofilms festgestellt werden. Das Calcit war biogenen Ursprungs und wurde infolge der Photosynthese sessiler Cyanobakterien gebildet. In der mesotrophen Talsperre Malter wurde ebenfalls die Biofilmbildung auf Mikroplastik untersucht (Kapitel 3). Dort veränderte die Bildung von mikrobiellen Biofilmen das Sedimentationsverhalten von verschiedenen Mikroplastik-Polymeren nicht. Stattdessen wurde beobachtet, dass die Herbstzirkulation des Sees zur Bildung von Aggregaten aus Mikroplastik und mineralischen Eisenkolloiden führte. Diese Eisenkolloide bilden sich durch die Mischung von eisenreichen, sauerstofffreien Tiefenwasser mit sauerstoffhaltigem Oberflächenwasser. Die Kolloide verbinden sich mit organischem Material aus dem See und formen dadurch größere Flocken. Da die Bildung von eisenhaltigen Flocken ein für geschichtete Stauseen wichtiger Prozess ist, wurde ihr Einfluss auf die Schwimmfähigkeit von Mikroplastik und den darauffolgenden Einbau in die Sedimente untersucht (Kapitel 4). In Laborversuchen konnten verschiedene Formen (Fasern, Fragmente, Kugeln) und Größenklassen von Mikroplastik in die Flocken eingebaut werden. Da die Flocken im Wasser absinken, können sie zuvor schwimmfähiges Polyethylen-Mikroplastik zur Sedimentoberfläche transportieren. Dort angekommen, beginnen die Flocken zusammen mit dem Mikroplastik langsam in das Sediment einzusinken und transportieren es dadurch in tiefere Sedimentschichten. Im Labor konnte innerhalb von zwei Monaten keine signifikante Freisetzung des so transportierten Mikroplastiks aus den Sedimenten beobachtet werden. Die Transformation der Flocken und welchen Einfluss dies auf die Freisetzung von Mikroplastik hat, wurde in Versuchen mit dem eisenreduzierenden Modelorganismus Shewanella oneidensis untersucht (Kapitel 5). Hierbei zeigte sich, dass die Auflösung oder Umwandlung des Eisens beziehungsweise der Eisenminerale innerhalb der Flocken, nicht zur Zerstörung der Flocken führte. Die organische Matrix der Flocken blieb unverändert stabil und umschloss auch weiterhin das eingebaute Mikroplastik. Da im Sediment ähnliche Abbauprozesse ablaufen, gibt dies einen möglichen Hinweis darauf, warum abgelagertes Mikroplastik nicht mehr aus Sedimenten freigesetzt wird. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass in Talsperren unterschiedliche Prozesse zum Absinken und zur Deposition von Mikroplastik führen. Es wurden neuartige Prozesse wie die Aggregation mit eisenhaltigen Flocken identifiziert und ungewöhnliche Aspekte wie die biogene Mineralbildung näher beleuchtet. Dadurch können wichtige Implikationen hinsichtlich des Transports von Mikroplastik in Fluss- Stausee-Systemen abgeleitet werden. Aufgrund der beschriebenen Sedimentationsprozesse sind Stauseen wichtige Akkumulationszonen für Mikroplastik. Im Stausee sedimentierendes Mikroplastik wird potentiell nicht vom aufgestauten Fluss weitertransportiert. Daher könnten die hier beschriebenen Prozesse zu einer Verbesserung von Risikoabschätzungen und Transportbilanzen dieser anthropogenen Belastung führen. KW - microplastics KW - reservoirs KW - calcite KW - iron KW - biofouling KW - sedimentation KW - polyethylene KW - biofilms KW - Mikroplastik KW - Stauhaltungen KW - Kalzit KW - Eisen KW - Sedimentation KW - Polyethylen KW - Biofilme Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520240 ER - TY - GEN A1 - Pawlak, Julia A1 - Noetzel, Dominique Christian A1 - Drago, Claudia A1 - Weithoff, Guntram T1 - Assessing the toxicity of polystyrene beads and silica particles on the microconsumer Brachionus calyciflorus at different timescales T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Environmental pollution by microplastics has become a severe problem in terrestrial and aquatic ecosystems and, according to actual prognoses, problems will further increase in the future. Therefore, assessing and quantifying the risk for the biota is crucial. Standardized short-term toxicological procedures as well as methods quantifying potential toxic effects over the whole life span of an animal are required. We studied the effect of the microplastic polystyrene on the survival and reproduction of a common freshwater invertebrate, the rotifer Brachionus calyciflorus, at different timescales. We used pristine polystyrene spheres of 1, 3, and 6 µm diameter and fed them to the animals together with food algae in different ratios ranging from 0 to 50% nonfood particles. As a particle control, we used silica to distinguish between a pure particle effect and a plastic effect. After 24 h, no toxic effect was found, neither with polystyrene nor with silica. After 96 h, a toxic effect was detectable for both particle types. The size of the particles played a negligible role. Studying the long-term effect by using life table experiments, we found a reduced reproduction when the animals were fed with 3 µm spheres together with similar-sized food algae. We conclude that the fitness reduction is mainly driven by the dilution of food by the nonfood particles rather than by a direct toxic effect. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1277 KW - microplastics KW - rotifer KW - freshwater KW - natural particle KW - toxicity KW - environmental pollution Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569967 SN - 1866-8372 IS - 1277 SP - 1 EP - 11 ER - TY - JOUR A1 - Pawlak, Julia A1 - Noetzel, Dominique Christian A1 - Drago, Claudia A1 - Weithoff, Guntram T1 - Assessing the toxicity of polystyrene beads and silica particles on the microconsumer Brachionus calyciflorus at different timescales JF - Frontiers in Environmental Science N2 - Environmental pollution by microplastics has become a severe problem in terrestrial and aquatic ecosystems and, according to actual prognoses, problems will further increase in the future. Therefore, assessing and quantifying the risk for the biota is crucial. Standardized short-term toxicological procedures as well as methods quantifying potential toxic effects over the whole life span of an animal are required. We studied the effect of the microplastic polystyrene on the survival and reproduction of a common freshwater invertebrate, the rotifer Brachionus calyciflorus, at different timescales. We used pristine polystyrene spheres of 1, 3, and 6 µm diameter and fed them to the animals together with food algae in different ratios ranging from 0 to 50% nonfood particles. As a particle control, we used silica to distinguish between a pure particle effect and a plastic effect. After 24 h, no toxic effect was found, neither with polystyrene nor with silica. After 96 h, a toxic effect was detectable for both particle types. The size of the particles played a negligible role. Studying the long-term effect by using life table experiments, we found a reduced reproduction when the animals were fed with 3 µm spheres together with similar-sized food algae. We conclude that the fitness reduction is mainly driven by the dilution of food by the nonfood particles rather than by a direct toxic effect. KW - microplastics KW - rotifer KW - freshwater KW - natural particle KW - toxicity KW - environmental pollution Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.955425 SN - 2296-665X SP - 1 EP - 11 PB - Frontiers CY - Lausanne, Schweiz ER -