Environmental Microplastics : How the Surface Properties of Microplastic Particles Determine their Particle-Cell Interactions

Titelangaben

Ramsperger, Anja:
Environmental Microplastics : How the Surface Properties of Microplastic Particles Determine their Particle-Cell Interactions.
Bayreuth , 2024 . - 335 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007708

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Abstract

The contamination of ecosystems with plastic particles is a global challenge that needs, due to its complexity, to be addressed by interdisciplinary research. Plastic particles were detected in every environmental compartment, where the particles eventually can interact with their surrounding. This interaction can be anything from the attachment of biomolecules and microorganisms on the surface of particles, over their uptake by organisms, up to the translocation of particles from ex-posed organs to other tissues, e.g. via cellular internalization. Interestingly, the interaction of an organism with plastic particles has been described to increase with decreasing particle sizes. There-fore, increased attention is paid to so-called microplastics, defined as particles < 5 mm. However, the pure definition of microplastics by their sizes is way too simplified to understand their potential adverse effects on the environment, organisms and human health. Microplastic is a hypernym of a plethora of different polymer types, each with specific and unique properties. However, the evalua-tion of the potential hazards deriving from microplastics currently relies on the controlled expo-sure of cells and organisms to model polystyrene microplastic particles. Although supposedly iden-tical particles were used in different studies, the reported results varied tremendously. While some studies found toxic effects on cells and organisms, others reported that the model microplastic particles were non-toxic or not harmful to organisms. Since the bulk material of model micro-plastic particles used in effect studies is polystyrene (PS), the differences between the reported re-sults are probably not polymer-based but must derive from other particle properties.
In my PhD thesis, I combine three interrelated topics that, in the end, all address one overall ques-tion: How do the surface properties of microplastic particles affect their interaction with cells and microorganisms? The three interrelated topics are (1) how the initial surface properties determine the particles’ reactivity towards cells, (2) how the environmental exposure alters the surface proper-ties of microplastic particles and whether this affects the particles’ reactivity towards cells, and (3) whether the initial surface properties of microplastic particles of different polymer types determine their reactivity towards their interaction with microorganisms under laboratory and natural condi-tions.
(1) I investigated how the initial surface properties of model microplastic particles affect their inter-actions with cells and showed that supposedly identical microplastic particles substantially differ in their properties. Here, it crystalized that especially the zeta-potential may be one of the driving fac-tors in how the model microplastic particles interact with cells and, subsequently, of cellular re-sponses. However, not only the initial surface properties of model microplastic particles may de-termine their interactions with cells, but additional surface alterations may contribute to a potential health risk deriving from microplastic pollution.
(2) Under natural conditions, organisms and humans are mainly not exposed to pristine model microplastic particles but rather to particles that were previously exposed to the environments. Here, biomolecules can attach to the surface of microplastic particles, forming an eco-corona. Therefore, in the second topic of my PhD project, I addressed this aspect by analyzing if the envi-ronmental exposure of microplastic particles alters the particles' surface and whether this affects their interactions with cells. I showed for the first time that the coating of micrometre-sized micro-plastic particles with an eco-corona alters the physicochemical and mechanical properties of the particles. Furthermore, I was the first to show that this coating with an eco-corona enhances the particle-cell interactions and subsequent internalization of the particles, indicating that the eco-corona is acting like a trojan-horse facilitating the internalization into cells.
(3) Based on the knowledge I have obtained from the first two topics of my PhD thesis, I wanted to shed light on whether the surface properties of different polymer types lead to a different for-mation and composition of a biofilm on larger microplastic particles. I found distinct biofilm for-mations and compositions on different polymer types under laboratory and natural conditions, due to the different properties of the different polymer types. Therefore, my previous findings that the surface properties determine the interactions between particles and cells is also true for the complex formation of a biofilm. Finally, I propose that the differences in the biofilm composition lead to defined variations in Raman bands, which can be used as a spectral variation library, ena-bling the detection of microplastic particles in environmental samples without the time and cost-consuming purification protocols.
The work presented in my PhD thesis clearly and unanimously emphasises the importance of the surface properties of microplastic particles for their interactions with biota. The key message of my thesis is that in future experiments, the microplastic particles used in effect studies must be thor-oughly characterized. Furthermore, I highly recommend using environmentally exposed micro-plastic particles coated with an eco-corona since the use of pristine particles may lead to an under-estimation of the risk deriving from plastic pollution since pristine particles interact significantly less with cells compared to environmentally exposed particles.

Abstract in weiterer Sprache

Die Verschmutzung von Ökosystemen mit Plastikpartikeln ist eine globale Herausforderung, die aufgrund ihrer Komplexität durch interdisziplinäre Forschung angegangen werden muss. Kunst-stoffpartikel wurden in allen Umweltkompartiment nachgewiesen, wo die Partikel letztlich mit ihrer Umgebung interagieren können. Diese Interaktion kann von der Anhaftung von Biomolekülen und Mikroorganismen an der Oberfläche eines Partikels über die Aufnahme durch Organismen bis hin zu deren Übergang mittels zellulärer Internalisierung von exponierten Organen in andere Gewebe reichen. Interessanterweise nimmt die Interaktion eines Organismus mit Kunststoffparti-keln mit abnehmender Partikelgröße zu. Daher wird dem so genannten Mikroplastik, das als Plas-tikpartikel mit einer Größe von weniger als 5 mm definiert ist, erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt. Die reine Definition von Mikroplastik anhand seiner Größe ist jedoch viel zu vereinfacht, um seine potenziell schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt, Organismen und die menschliche Gesund-heit zu verstehen. Mikroplastik ist ein Oberbegriff für eine Vielzahl verschiedener Polymertypen, die jeweils spezifische und einzigartige Eigenschaften aufweisen. Die Bewertung der potenziellen Gefahren von Mikroplastik beruht jedoch derzeit auf der kontrollierten Exposition von Zellen und Organismen gegenüber Modellpartikeln aus Polystyrol (PS). Obwohl in verschiedenen Studien vermeintlich identische Partikel verwendet wurden, variierten die Ergebnisse enorm. Während in einigen Studien toxische Wirkungen auf Zellen und Organismen festgestellt wurden, berichteten andere, dass die Modell-Mikroplastikpartikel nicht toxisch oder nicht schädlich für Organismen sind. Da das Hauptmaterial der in den Effektstudien verwendeten Modell-Mikroplastikpartikel PS ist, sind die Unterschiede zwischen den berichteten Ergebnissen wahrscheinlich nicht auf das reine Polymer zurückzuführen, sondern müssen durch andere Partikeleigenschaften bedingt sein.
In meiner Doktorarbeit kombiniere ich drei miteinander verbundene Themen, die letztendlich alle auf eine übergeordnete Frage abzielen: Wie beeinflussen die Oberflächeneigenschaften von Mikro-plastikpartikeln ihre Interaktion mit Zellen und Mikroorganismen? Die drei miteinander verbunde-nen Themen sind (1) wie die ursprünglichen Oberflächeneigenschaften die Reaktivität der Partikel gegenüber Zellen bestimmen, (2) wie die Umweltexposition die Oberflächeneigenschaften von Mikroplastikpartikeln verändert und ob dies die Reaktivität der Partikel gegenüber Zellen beein-flusst, und (3) ob die ursprünglichen Oberflächeneigenschaften von Mikroplastikpartikeln ver-schiedener Polymertypen ihre Reaktivität in Bezug auf ihre Interaktion mit Mikroorganismen unter Labor- und natürlichen Bedingungen bestimmen.
(1) Ich untersuchte, wie sich die ursprünglichen Oberflächeneigenschaften von Modell-Mikroplastikpartikeln auf ihre Wechselwirkungen mit Zellen auswirken und konnte zeigen, dass sich vermeintlich identische Mikroplastikpartikel in ihren Eigenschaften erheblich unterscheiden. Dabei kristallisierte sich heraus, dass vor allem das Zeta-Potential einer der treibenden Faktoren für die Interaktion der Modell-Mikroplastikpartikel mit Zellen und damit auch für die zellulären Reakti-onen sein kann. Doch nicht nur die ursprünglichen Oberflächeneigenschaften von Modell-Mikroplastikpartikeln können ihre Wechselwirkungen mit Zellen bestimmen, sondern auch zusätz-liche Oberflächenveränderungen können zu einem potenziellen Gesundheitsrisiko durch Mikro-plastikverschmutzung beitragen.
(2) Unter natürlichen Bedingungen sind Organismen und Menschen meist nicht reinen ursprüngli-chen Modell-Mikroplastikpartikeln ausgesetzt, sondern eher Partikeln, die zuvor in der Umwelt exponiert waren. Hier können sich Biomoleküle an die Oberfläche von Mikroplastikpartikeln anla-gern und eine so genannte Öko-Korona bilden. Im zweiten Teil meines Promotionsprojekts un-tersuchte ich daher, ob die Umweltexposition von Mikroplastikpartikeln die Oberfläche der Partikel verändert und ob dies ihre Wechselwirkungen mit Zellen beeinflusst. Ich konnte als Erste zeigen, dass die Beschichtung von Mikroplastikpartikeln mit einer Öko-Korona die physikochemischen und mechanischen Eigenschaften der Partikel verändert. Darüber hinaus konnte ich erstmals zei-gen, dass die Beschichtung mit einer Öko-Korona die Wechselwirkungen zwischen Partikel und Zelle und die anschließende Internalisierung der Partikel begünstigt, was darauf hindeutet, dass die Öko-Korona wie ein trojanisches Pferd wirkt, das die Internalisierung in Zellen erleichtert.
(3) Ausgehend von den Erkenntnissen, die ich in den ersten beiden Themen meiner Doktorarbeit gewonnen habe, wollte ich herausfinden, ob die ursprünglichen Oberflächeneigenschaften ver-schiedener Polymertypen zu einer unterschiedlichen Bildung und Zusammensetzung eines Biofilms auf größeren Mikroplastikpartikeln führen können. Ich fand unterschiedliche Biofilmbildungen und -zusammensetzungen auf verschiedenen Polymertypen unter Labor- und natürlichen Bedin-gungen, was auf die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Polymertypen zurückzu-führen war. Daher gilt meine frühere Feststellung, dass die Oberflächeneigenschaften die Wech-selwirkungen zwischen Partikeln und Zellen bestimmen, auch für die komplexe Bildung eines Bio-films. Basierend auf diesen Ergebnissen zeigten wir, dass die Unterschiede in der Zusammenset-zung des Biofilms zu definierten Variationen in den Raman-Banden führen können, die als Biblio-thek für spektrale Variationen verwendet werden können und den Nachweis von Mikroplastikpar-tikeln in Umweltproben ohne die zeit- und kostenintensiven Reinigungsprotokolle ermöglichen.
Die in meiner Dissertation vorgestellte Arbeit unterstreicht eindeutig und einstimmig die Bedeutung der Oberflächeneigenschaften von Mikroplastikpartikeln für ihre Wechselwirkungen mit Biota. Die Kernaussage meiner Arbeit ist, dass in zukünftigen Experimenten die Mikroplastikpartikel, die in Effektstudien verwendet werden, gründlich charakterisiert werden müssen. Darüber hinaus emp-fehle ich dringend, umweltexponierte Mikroplastikpartikel zu verwenden, die mit einer Öko-Korona beschichtet sind, da die Verwendung von reinen Partikeln zu einer Unterschätzung des Risikos ausgehend von der Plastikverschmutzung führen kann, da reine Partikel im Vergleich zu umweltbelasteten Partikeln deutlich weniger mit Zellen interagieren.