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The role of microplastics in microalgae cells aggregation: a study at the molecular scale using atomic force microscopy

Authors :
Irem Demir-Yilmaz
Nadiia Yakovenko
Clément Roux
Pascal Guiraud
Fabrice Collin
Christophe Coudret
Alexandra ter Halle
Cécile Formosa-Dague
Toulouse Biotechnology Institute (TBI)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Équipe Ingénierie pour les sciences du vivant (LAAS-ELIA)
Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS)
Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)
Interactions moléculaires et réactivité chimique et photochimique (IMRCP)
Institut de Chimie de Toulouse (ICT)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut Ecologie et Environnement (INEE)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Fédération de Recherche Fluides, Energie, Réacteurs, Matériaux et Transferts (FERMAT)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
IDeAS - Interfaces Dynamiques et Assemblages Stimulables (IDeAS)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT)
Fédération de Recherche Fluides, Energie, Réacteurs, Matériaux et Transferts (FERMAT)
BIBAC - Chimie analytique et interactions biomolécules - matière molle biomimétique (BIBAC)
SMODD - Systèmes Moléculaires Organisés et Développement Durable (SMODD)
ANR-18-CE43-0001,FLOTALG,Biophysique de la flottation des microalgues(2018)
ANR-15-CE09-0020,BLINK,Nanohybrides multi-luminescents à scintillation contrôlée pour la microscopie en super résolution, et le suivi de particule unique(2015)
Source :
Science of the Total Environment, Science of the Total Environment, 2022, 832, ⟨10.1016/j.scitotenv.2022.155036⟩
Publication Year :
2022
Publisher :
HAL CCSD, 2022.

Abstract

International audience; Plastic pollution has become a significant concern in aquatic ecosystems, where photosynthetic microorganisms such as microalgae represent a major point of entry in the food chain. For this reason an important challenge is to better understand the consequences of plastic pollution on microalgae and the mechanisms underlying the interaction between plastic particles and cell's interfaces. In this study, to answer such questions, we developed an interdisciplinary approach to investigate the role of plastic microparticles in the aggregation of a freshwater microalgae species, Chlorella vulgaris. First, the biophysical characterization, using atomic force microscopy, of the synthetic plastic microparticles used showed that they have in fact similar properties than the ones found in the environment, with a rough, irregular and hydrophobic surface, thereby making them a relevant model. Then a combination of optical imaging and separation experiments showed that the presence of plastic particles in microalgae cultures induced the production of exopolysaccharides (EPS) by the cells, responsible for their aggregation. However, cells that were not cultured with plastic particles could also form aggregates when exposed to the particles after culture. To understand this, advanced single-cell force spectroscopy experiments were performed to probe the interactions between cells and plastic microparticles; the results showed that cells could directly interact with plastic particles through hydrophobic interactions. In conclusion, our experimental approach allowed highlighting the two mechanisms by which plastic microparticles trigger cell aggregation; by direct contact or by inducing the production of EPS by the cells. Because these microalgae aggregates containing plastic are then consumed by bigger animals, these results are important to understand the consequences of plastic pollution on a large scale.

Details

Language :
English
ISSN :
00489697 and 18791026
Database :
OpenAIRE
Journal :
Science of the Total Environment, Science of the Total Environment, 2022, 832, ⟨10.1016/j.scitotenv.2022.155036⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....23c2401112f45729555cf8eed528c1a2
Full Text :
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155036⟩