Microplastics impact on agricultural crops: a multi-stress approach on leafy vegetables

Plastic materials are a group of synthetic polymers with specific characteristics of interest, which led to their mass-production and consequential accumulation in the environment. Plastic products degrade into microplastics (MPs), smaller than 5 mm, and nanoplastics (NPs), smaller than 1 μm. These smaller plastic debris are ubiquitous around the globe, being found in each environmental compartment, including agroecosystems. During the last few years, scientific studies on the entry, dispersion, fate, and effects of MPs and NPs in agricultural soils have increased, expanding the knowledge on this topic. Specifically, MPs and NPs dispersed in the agricultural environment may cause various impacts at both soil and plant level, since negative effects were detected in soil physical, chemical, and biological properties, as well as in crops physiology, growth, and productivity. MPs and NPs can also interact with other pollutants and sources of stress commonly found in agricultural soil, thus increasing the overall negative impacts on the agroecosystem. Despite the growing concern, there is still a lack of consensus on the actual impact caused by plastic debris towards agricultural crops, especially when MPs are found in combination with other sources of stress. This thesis aims to shed light on the effects of different MP types on leafy vegetables, in single contamination or in co-exposure with other sources of stress, on key plant physiology and growth parameters. Three leafy vegetables, namely spinach (Spinacia oleracea), lettuce (Lactuca sativa), and arugula (Eruca vesicaria) were used as model plants. The plastic debris contamination was obtained by using MPs deriving from three different agricultural plastic mulches made of low-density polyethylene (LDPE), polybutylene adipate terephthalate (PBAT), and starch-based (STARCH) plastic. Co-exposure with other sources of stress was applied by adding copper (Cu) contamination, drought stress, and a mixture of albendazole and pyraclostrobin (ALB+PYR) contamination. Two different soil types, a natural one and a commercial one, were also tested. The main goal of the present thesis was to investigate the variability in plant response, by using different MPs and stressors levels and combinations on diverse agricultural crops. Results showed that MPs have the ability to interfere with tested plant physiology and growth parameters and to interact with other sources of stresses. These impacts are modulated by MP types and concentrations, soil types, plant species, and secondary stress sources. The present study further contributes to shed light on the impacts of MPs in agricultural soils, alone or in co-occurrence with other sources of stress, on crop physiology and growth parameters.

I materiali plastici sono un gruppo di polimeri sintetici con specifiche caratteristiche di interesse, le quali hanno portato alla loro produzione in massa e consequenzialmente al loro accumulo nell’ambiente. I prodotti plastici si degradano in microplastiche (MP), di dimensioni inferiori a 5 mm, e nanoplastiche (NP), di dimensioni inferiori a 1 μm. Questi piccoli detriti plastici sono ubiquitari sul pianeta, trovandosi in ciascun comparto ambientale, compresi gli ecosistemi agrari. Negli ultimi anni studi scientifici sull’ingresso, sulla dispersione, sul destino e sugli effetti di MP e NP nei suoli agricoli sono aumentati, espandendo la conoscenza su questo argomento. In particolare, MP e NP disperse nell’ambiente agrario possono causare vari impatti a livello sia di suolo che di piante, dato che sono stati individuati effetti negativi sulle proprietà fisiche, chimiche e biologiche del suolo, ma anche sulla fisiologia, sulla crescita e sulla produttività delle colture. MP e NP possono anche interagire con altri contaminanti ed altre fonti di stress trovati comunemente nei suoli agricoli, così da incrementare gli impatti negativi generali sugli agroecosistemi. Nonostante la crescente preoccupazione, non si trova ancora consenso in merito all’effettivo impatto causato dai detriti plastici sulle colture agrarie, in particolare quando le MP si trovano in concomitanza con altre fonti di stress. Questa tesi mira a far luce sugli effetti di varie MP, da sole o in concomitanza di altre fonti di stress, su colture da foglia, studiandone parametri chiave fisiologici e di crescita. Tre colture da foglia, specificatamente spinacio (Spinacia oleracea), lattuga (Lactuca sativa) e rucola (Eruca vesicaria) sono state utilizzate come piante modello. La contaminazione da detriti di plastica è stata ottenuta utilizzando MP derivanti da tre diversi teli pacciamanti costituiti da polietilene a bassa densità (LDPE), polibutilene adipato tereftalato (PBAT) e amido (STARCH). La contemporanea esposizione con altre fonti di stress è stata applicata tramite la contaminazione da rame (Cu), lo stress idrico e la contaminazione di una miscela di albendazolo e pyraclostrobin (ALB+PYR). Inoltre, due diversi tipi di suolo, uno naturale e uno commerciale, sono stati testati. L’obiettivo principale della presente tesi è stato investigare la variabilità nella risposta delle piante, utilizzando diversi livelli di MP e di fonti di stress e la loro combinazione su diverse colture agrarie. I risultati hanno mostrato che le MP hanno la capacità di interferire con i parametri fisiologici e di crescita delle piante che sono stati testati, ma anche di interagire con le altre fonti di stress. Questi impatti sono modulati dalla tipologia e dalla concentrazione delle MP, dai tipi di suolo, dalla specie di pianta e dal tipo di stress secondario applicato. Il presente studio contribuisce a fare luce sugli impatti delle MP, sia da sole che in concomitanza con altre fonti di stress, nei suoli agrari, in particolare sulla fisiologia e sulla crescita delle colture.