Assessment of the incidence and impact of plastics on the fauna of the Balearic Sea

Abstract

The global distribution and prevalence of plastic, spanning all levels of the water column, have rendered plastic debris one of today’s most pressing environmental challenges. Products of plastic origin are ubiquitous in daily life and highly valued for their physical and mechanical properties, which confer upon them great durability and resistance. However, the extensive use of plastic materials facilitates the gradual accumulation of poorly managed debris, reaching every corner of the ocean, from the sea surface to the deep ocean canyons, and from the poles to the coastlines of the most remote islands. In fact, it has been estimated that more than 10 million tons of plastic end up in marine environments each year.

Another important feature of plastic pollution is that once in the environment, larger macroplastic items break down into ever smaller fragments, eventually becoming microplastics. Due to this fragmentation process, concentrations of microplastics will continue to rise for decades. Moreover, because of their size, microplastics enter the bodies of animals through ingestion and respiration, resulting in adverse consequences such as digestive tract blockages or contributing to chemical body burdens, leading to toxicological effects.

A deeper understanding of both the role of microplastics and their associated chemical pollution and oxidative stress effects, as well as the impact of macroplastics in terms of ingestion and entanglement, is crucial for developing monitoring programs and conservation strategies that foster a promising future for marine environments.

Given the mounting pressure on marine fauna and the multitude of challenges they encounter, the objective of the present PhD Thesis is to investigate the incidence and impact of plastic ingestion and entanglement among marine species in the Balearic Sea. This will be achieved by examining various organisms across a diverse range of taxa inhabiting this region. Additionally, this thesis also aims to characterize the types of plastics ingested and entangled by these marine groups in terms of size, shape, colour, and polymer composition.

This PhD Thesis has been focused on assessing the impact of macroplastics on sea turtles and marine mammals, as well as the effects of microplastics on two fish species. Regarding the impact of macroplastics, findings from four years of analysis (2019-2022) revealed a high occurrence of plastic ingestion not only in the gut content of stranded Caretta caretta specimens but also in faeces of loggerhead sea turtles undergoing rehabilitation. In cetaceans, 10% of the analysed animals were found to have plastic debris in their stomachs, with one case resulting in obstruction and perforation. Furthermore, a total of seven cases of entanglement were documented during the study period (2019-2022), affecting four different cetacean species.

Concerning microplastic impacts, two distinct studies were conducted. Firstly, a field study with Seriola dumerili not only assessed microplastic ingestion but also evaluated enzyme responses and cellular oxidative damage in liver samples from the same individuals. Results revealed the presence of microplastics in 98% of the total samples examined, with fish exhibiting higher microplastic loads showing increased activities of antioxidant and detoxification enzymes. Secondly, a laboratory study with Sparus aurata exposed to low- density polyethylene (LDPE) microplastics for three months followed by an additional month of depuration. Biochemical analysis indicated that S. aurata exposed to LDPE microplastics progressively activated the antioxidant and detoxification systems, inducing an inflammatory response in the liver, gut, and plasma, with peak values observed at 90 days, whereas no significant changes were observed in erythrocytes. Moreover, during the 30-day depuration period, all analysed biomarkers tended to normalize, with the majority returning to values similar to those of the control group.

In conclusion, the present PhD Thesis provides novel evidence regarding the impact of plastic pollution on various marine taxa in the Balearic Sea. These findings lay the groundwork for further research and transfer of knowledge related to this field of study. Such insights could be taken into consideration when developing management and conservation measures and plans for addressing plastic pollution at both local and regional scales.

La distribució mundial i la prevalença del plàstic, que abasta tots els nivells de la columna d'aigua, han convertit els residus plàstics en un dels reptes mediambientals més urgents de l'actualitat. Els productes d'origen plàstic són omnipresents en la vida quotidiana i molt apreciats per les seves propietats físiques i mecàniques, que els confereixen una gran durabilitat i resistència. No obstant això, l'ús extensiu de materials plàstics facilita l'acumulació progressiva de residus mal gestionats, que arriben a tots els indrets de l'oceà, des de la superfície marina fins als profunds canons oceànics, i des dels pols fins a les costes de les illes més remotes. De fet, es calcula que més de 10 milions de tones de plàstic acaben en el medi marí cada any.

Una altra característica important de la contaminació per plàstics és que, un cop en el medi ambient, els macroplàstics de major mida es descomponen en fragments cada vegada més petits, convertint-se finalment en microplàstics. A causa d'aquest procés de fragmentació, les concentracions de microplàstics seguiran augmentant durant dècades. A més, degut a la seva mida, els microplàstics penetren en l'organisme dels animals a través de la ingesta i la respiració, provocant conseqüències adverses com ara obstruccions del tracte digestiu o contribuint a la càrrega química corporal, la qual cosa comporta efectes toxicològics.

Un coneixement més profund tant del paper dels microplàstics i els seus efectes associats de contaminació química i estrès oxidatiu, com de l'impacte dels macroplàstics en termes d'ingesta i enredament, és crucial per a desenvolupar programes de monitorització i estratègies de conservació que fomentin un futur prometedor per als entorns marins.

Davant la creixent pressió sobre la fauna marina i la multitud de reptes als quals s'enfronta, l'objectiu de la present Tesi Doctoral és investigar la incidència i l'impacte de la ingesta i l'enredament de plàstics entre les espècies marines del Mar Balear. Això s'aconseguirà examinant diversos organismes d'una àmplia gamma de taxons que habiten aquesta regió. A més, aquesta Tesi també pretén caracteritzar els tipus de plàstics ingerits i enredats per aquests grups marins en termes de mida, forma, color i composició polimèrica.

Aquesta Tesi Doctoral s'ha centrat en avaluar l'impacte dels macroplàstics en tortugues i mamífers marins, així com els efectes dels microplàstics en dues espècies de peixos. Pel que fa a l'impacte dels macroplàstics, els resultats de quatre anys d'anàlisi (2019-2022) van revelar una alta incidència d'ingesta de plàstics no només en el contingut intestinal d'exemplars varats de Caretta caretta, sinó també en les femtes de tortugues babaues en rehabilitació. En els cetacis, el 10% dels animals analitzats presentaven restes de plàstic a l'estómac, amb un cas que va resultar en obstrucció i perforació. A més, es van documentar un total de set casos d'enredament durant el període d'estudi (2019-2022), que van afectar a quatre espècies diferents de cetacis.

Pel que fa a l'impacte dels microplàstics, es van realitzar dos estudis diferents. En primer lloc, un estudi de camp amb Seriola dumerili on no només es va avaluar la ingesta de microplàstics, sinó també les respostes enzimàtiques i el dany oxidatiu cel·lular en mostres de fetge dels mateixos individus. Els resultats van evidenciar la presència de microplàstics en el 98% del total de les mostres examinades, i els peixos amb major càrrega de microplàstics van mostrar una major activitat dels enzims antioxidants i de desintoxicació. En segon lloc, un estudi de laboratori amb Sparus aurata exposades a microplàstics de polietilè de baixa densitat (LDPE) durant tres mesos, seguits d'un mes addicional de depuració. Els anàlisis bioquímics van indicar que els exemplars de S. aurata exposats a microplàstics de LDPE van activar progressivament els sistemes antioxidant i de desintoxicació, induint una resposta inflamatòria al fetge, l'intestí i el plasma, amb valors màxims observats als 90 dies, mentre que no es van observar canvis significatius en els eritròcits. A més, durant el període de depuració de 30 dies, tots els biomarcadors analitzats van tendir a normalitzar-se, tornant la majoria a valors similars als del grup de control.

En conclusió, la present Tesi Doctoral aporta noves evidències sobre l'impacte de la contaminació per plàstics en diversos taxons marins del Mar Balear. Aquests descobriments estableixen les bases per a futures investigacions i transferència de coneixements relacionats amb aquest camp d'estudi. Aquests, podrien tenir-se en compte a l'hora de desenvolupar mesures i plans de gestió i conservació per fer front a la contaminació per plàstics tant a escala local com regional.

La distribución mundial y la prevalencia del plástico, que abarca todos los niveles de la columna de agua, han convertido los residuos plásticos en uno de los retos medioambientales más urgentes de la actualidad. Los productos de origen plástico son omnipresentes en la vida cotidiana y muy apreciados por sus propiedades físicas y mecánicas, que les confieren una gran durabilidad y resistencia. Sin embargo, el uso extensivo de materiales plásticos facilita la acumulación progresiva de residuos mal gestionados, que llegan a todos los rincones del océano, desde la superficie marina hasta los profundos cañones oceánicos, y desde los polos hasta las costas de las islas más remotas. De hecho, se calcula que más de 10 millones de toneladas de plástico acaban en el medio marino cada año.

Otra característica importante de la contaminación por plásticos es que, una vez en el medio ambiente, los macroplásticos de mayor tamaño se descomponen en fragmentos cada vez más pequeños, convirtiéndose finalmente en microplásticos. Debido a este proceso de fragmentación, las concentraciones de microplásticos seguirán aumentando durante décadas. Además, debido a su tamaño, los microplásticos penetran en el organismo de los animales a través de la ingestión y la respiración, provocando consecuencias adversas como obstrucciones del tracto digestivo o contribuyendo a la carga química corporal, lo que conlleva efectos toxicológicos.

Un conocimiento más profundo tanto del papel de los microplásticos y sus efectos asociados de contaminación química y estrés oxidativo, como del impacto de los macroplásticos en términos de ingestión y enredo, es crucial para desarrollar programas de monitorización y estrategias de conservación que fomenten un futuro prometedor para los entornos marinos.

Dada la creciente presión sobre la fauna marina y la multitud de retos a los que se enfrenta, el objetivo de la presente Tesis Doctoral es investigar la incidencia y el impacto de la ingestión y el enredo de plásticos entre las especies marinas del Mar Balear. Esto se logrará examinando varios organismos de una amplia gama de taxones que habitan esta región. Además, esta Tesis también pretende caracterizar los tipos de plásticos ingeridos y enredados por estos grupos marinos en términos de tamaño, forma, color y composición polimérica.

Esta Tesis Doctoral se ha centrado en evaluar el impacto de los macroplásticos en tortugas y mamíferos marinos, así como los efectos de los microplásticos en dos especies de peces. En cuanto al impacto de los macroplásticos, los resultados de cuatro años de análisis (2019-2022) revelaron una alta incidencia de ingestión de plásticos no solo en el contenido intestinal de ejemplares varados de Caretta caretta, sino también en las heces de tortugas bobas en rehabilitación. En los cetáceos, el 10% de los animales analizados presentaban restos de plástico en el estómago, con un caso que resultó en obstrucción y perforación. Además, se documentaron un total de siete casos de enmallamiento durante el periodo de estudio (2019- 2022), que afectaron a cuatro especies diferentes de cetáceos.

En cuanto al impacto de los microplásticos, se realizaron dos estudios distintos. En primer lugar, un estudio de campo con Seriola dumerili donde no sólo se evaluó la ingestión de microplásticos, sino que también las respuestas enzimáticas y el daño oxidativo celular en muestras de hígado de los mismos individuos. Los resultados revelaron la presencia de microplásticos en el 98% del total de las muestras examinadas, y los peces con mayor carga de microplásticos mostraron una mayor actividad de las enzimas antioxidantes y de desintoxicación. En segundo lugar, un estudio de laboratorio con Sparus aurata expuestas a microplásticos de polietileno de baja densidad (LDPE) durante tres meses, seguidos de un mes adicional de depuración. Los análisis bioquímicos indicaron que los ejemplares de S. aurata expuestos a microplásticos de LDPE activaron progresivamente los sistemas antioxidante y de desintoxicación, induciendo una respuesta inflamatoria en el hígado, el intestino y el plasma, con valores máximos observados a los 90 días, mientras que no se observaron cambios significativos en los eritrocitos. Además, durante el periodo de depuración de 30 días, todos los biomarcadores analizados tendieron a normalizarse, volviendo la mayoría a valores similares a los del grupo de control.

En conclusión, la presente Tesis Doctoral aporta nuevas evidencias sobre el impacto de la contaminación por plásticos en diversos taxones marinos del Mar Balear. Estos hallazgos sientan las bases para futuras investigaciones y transferencia de conocimientos relacionados con este campo de estudio. Estos, podrían tenerse en cuenta a la hora de desarrollar medidas y planes de gestión y conservación para hacer frente a la contaminación por plásticos tanto a escala local como regional.