Exposure and Health Effects of Microplastics in Humans

Abstract

[eng] Microplastic (MP) refers to plastic particles having diameter of 5 mm along their longest dimension. In the last decade, extensive research efforts have taken to identify and quantify MP in different environmental compartments and recently also in human samples as blood, urine, stool, lung, and placentae tissue proving human intake of MP. Because of our exposure to MP via inhalation and ingestion, this Thesis focuses in applying different analytical methods, both spectroscopic and thermal, to identify and quantify MP in air as well as bottled water to carry out a human exposure assessment through these pathways of exposure. Moreover, a migration study was done to assess the potential release of MP from face masks into water after potential incorrect waste disposal, finding that PP, PA, PES, and cellulose fibres shred from the masks. Air samples were collected both indoors from private and public settings, and outdoors using active sampling for 3 hours until 1.8 m3 of air were filtered and the particles were analysed with micro-Fourier Transform Infrared (μ-FTIR) spectroscopy to identify the presence of plastic polymers and to assess any potential differences in the concentration of MP between the areas considered and their potential sources. The areas considered were a urban area (Barcelona, Spain) and a rural area (Sassari, Italy). Indoor air samples (n=10) were collected from private houses, whilst outdoor air samples (n=11) were collected during rush hours in the main roads. Results reveal that indoor levels were higher in Sassari, while outdoor concentrations were greater in Barcelona. In Barcelona, MP comprised 2-15% indoors and 0-20% outdoors of the total particulate count (TPC), while Sassari showed 0-10% indoors and 8-18% outdoors. The predominant indoor polymers were polyacrylonitrile and nylon 6,6, used as fiber in clothing, home furnishing, while outdoor samples included PAN, nylon 6,6, and various polyethylene copolymers all used in clothing as well as automobile industry. The same technique was applied to assess the potential release of MP from face masks (n=4) into water during a migration study to mimic their behaviour when their disposal is mismanaged, or they are directly discarded in the environment. Results showed that MP can release polypropylene, polyamide, and polyester into the aquatic environment. Despite the advantages in using μ-FTIR, the major drawback is that it is size dependent and can be used to analyse particles having diameter >20 μm. Therefore, a pyrolysis-GC/MS method was developed to overcome the size-limitation and analyse MP in air and water samples with high degree of accuracy and precision in a rapid manner. This method enabled the target analysis of the several plastic polymers including polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyvinyl chloride, nylon 6,6, polyethylene terephthalate, polymethylmethacrylate, nitrile rubber, acrylonitrile butadiene styrene. Air samples collected from public libraries (n=14) in the urban area of Barcelona showed that high-density polyethylene was the only plastic polymer present, probably released from textiles, containers, and appliances. Bottled water samples (n=40) from 5 different European countries (Spain, Italy, France, Portugal, and Greece) were also studied and it was shown that high-density polyethylene was present in 33 out of 40 samples. The presence of polyethylene can be reconducted to the mechanical abrasion of the bottle cup. An in vitro toxicological test on human hepatocellular carcinoma (HepG2) cells was performed to assess the potential hepatotoxicity of leachates from high density polyethylene using both medium and organic solvent to extract the chemicals. HepG2 cells were exposed to both extractions at concentration of 1 μg μl-1 and no toxicity was observed when using cell viability and reactive oxygen species (ROS) generation as toxicological endpoints. Moreover, literature review concerning MP exposure through air (indoors and outdoors), bottled water, soft drinks, alcoholic beverages, and food was done to estimate the total daily intake of MP for adults, children and toddler. Additionally, bibliographic research about human biomonitoring and presence of MP in different samples including blood, urine, stool, placentae and lung tissues among others is presented to highlight that the widespread of MP has led to human intake. To conclude, the Thesis served (i) to verify that face masks could represent a potential source of MP in water bodies, (ii) to develop analytical methods to identify and quantify different MP polymers in air and water samples, (iii) to apply the results to assess human exposure through inhalation and ingestion and (iv) to investigate in vitro hepatotoxicity of HDPE leachates.

[cat] El terme "microplàstic" (MP) es va encunyar l'any 2004 per referir-se a partícules de plàstic amb una mida igual o inferior a 5 mm en la seva dimensió més llarga. Des d'aleshores, s'han realitzat nombrosos estudis per analitzar la seva presència en diferents medis ambientals i avaluar els seus possibles efectes tant en els ecosistemes com en la salut humana. El present treball s'ha centrat en avaluar l'exposició humana als MP a través de la inhalació i la ingestió. Per fer-ho, s'han utilitzat tècniques analítiques avançades, tant espectroscòpiques com tèrmiques, que permeten identificar i quantificar amb precisió aquests contaminants en mostres d'aire i aigua embotellada. A més, s'ha dut a terme un estudi específic per analitzar l'alliberament de MP a partir de màscares facials quan aquestes es gestionen incorrectament com a residus, amb resultats que demostren com aquests productes poden alliberar fibres de polipropilè, poliamida, polièster i cel·lulosa al medi ambient. Pel que fa a l'anàlisi de l'aire, es van recollir mostres tant en entorns interiors com exteriors, comparant una zona urbana (Barcelona) amb una àrea rural (Sassari). Els resultats van revelar diferències en la concentració de MP entre ambdós entorns. A l'interior, les concentracions eren més elevades a Sassari, amb valors que oscil·laven entre el 0% i el 10% del total de partícules, mentre que a Barcelona aquestes xifres es situaven entre el 2% i el 15%. En canvi, a l'exterior, Barcelona presentava nivells més alts, amb un màxim del 20% de MP respecte al total de partícules, enfront del 8% al 18% observat a Sassari. Els polímers més freqüents a l'interior van ser el poliacrilonitril i el niló 6,6, associats a tèxtils i mobiliari, mentre que a l'exterior, a més d'aquests, també es van detectar diversos copolímers de polietilè, relacionats tant amb la indústria tèxtil com amb la automobilística. Una limitació important de la tècnica μ-FTIR utilitzada és que només permet detectar partícules superiors a 20 μm. Per superar aquest obstacle, es va desenvolupar un mètode alternatiu basat en piròlisi acoblada a espectrometria de masses (Pyr-GC/MS), que no només permet analitzar partícules més petites sinó que també ofereix una major precisió i rapidesa en la identificació dels polímers. Aplicant aquesta tècnica, es van analitzar mostres d'aire recollides en biblioteques de Barcelona, on es va detectar predominantment polietilè d'alta densitat, probablement procedent de tèxtils i envasos. Paral·lelament, en l'estudi d'aigua embotellada procedent de cinc països europeus, es va trobar que el polietilè d'alta densitat estava present en 33 de les 40 mostres analitzades, un fet que es pot atribuir a l'abrasió mecànica de les pròpies ampolles durant el seu ús i transport. Per avaluar els possibles efectes sobre la salut humana, es van realitzar assajos in vitro amb cèl·lules HepG2 exposades a lixiviats de polietilè d'alta densitat. Els resultats no van mostrar efectes tòxics significatius en termes de viabilitat cel·lular o generació d'espècies reactives d'oxigen en les condicions d'estudi, tot i que aquests resultats no descarten la necessitat d'investigar més profundament els possibles efectes a llarg termini o en altres models cel·lulars. Com a complement a aquests estudis experimentals, es va dur a terme una revisió de la literatura científica sobre l'exposició humana als MP, analitzant tant les principals vies d'exposició com la presència d'aquests contaminants en mostres biològiques humanes. Aquesta revisió no només confirma la ingesta i absorció de MP per part de la població, sinó que també posa en relleu com aquest fenomen s'ha generalitzat a escala global. En conclusió, aquesta tesi ha permès avançar en la comprensió de la problemàtica dels microplàstics des de múltiples perspectives. D'una banda, ha confirmat el paper de les màscares facials com a font potencial de contaminació quan no es gestionen adequadament. D'altra banda, ha contribuït al desenvolupament de mètodes analítics més precisos per a la detecció i quantificació d'aquests contaminants. Finalment, els resultats obtinguts han permès avaluar amb major precisió l'exposició humana als MPs i els seus possibles efectes.