Poly(lactic) acid Microplastics: From Production and Characterization to Biological Interactions and Degradation

Since the early twentieth century, plastics have revolutionized modern life, but their uncontrolled production has led to severe environmental pollution. Among the emerging contaminants, microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) are particularly concerning due to their high bioavailability and poorly understood biological effects. This thesis focuses on poly(lactic acid) (PLA), a biopolymer increasingly used as a sustainable alternative to petroleum-based plastics. Although marketed as biodegradable, PLA efficiently degrades only under industrial composting conditions, and in natural environments it can persist and behave like conventional plastics. As PLA production grows, so will the release of PLA-derived MPs and NPs, emphasizing the need to assess their environmental fate and impacts. Due to the lack of standardized methods for isolating and characterizing real environmental MPs and NPs, this work employs laboratory-engineered PLA particles produced through top-down mechanical processes (grinding, ball milling, vibro-milling). These techniques generated particles ranging from a few hundred nanometers to hundreds of micrometers, depending on the method. The biological effects of PLA MPs were investigated on the coral Pocillopora damicornis. After 72 hours of exposure to increasing MP concentrations (5–50 mg/L), no mortality or bleaching occurred, though higher concentrations enhanced antioxidant enzyme activity, suggesting mild physiological stress without oxidative damage. Experiments with Porites lutea using light-sheet microscopy and particle image velocimetry showed that corals actively capture PLA MPs (≤50 µm) through mucus secretion and ciliary movements, generating vortical flows that promote particle aggregation and retention. These processes indicate that corals can influence the fate of PLA MPs in marine environments. Finally, the degradation behavior of PLA MPs was examined, revealing that their susceptibility to enzymatic breakdown depends strongly on the method used to produce them. Particles with higher surface porosity and crystallinity degraded more efficiently under lipase action, highlighting that fabrication procedures significantly influence the environmental persistence of PLA MPs.

Dagli inizi del Novecento, la produzione di plastica ha profondamente trasformato la società, ma il suo uso incontrollato ha portato a un grave inquinamento ambientale. Tra i contaminanti emergenti, microplastiche (MPs) e nanoplastiche (NPs) suscitano crescente preoccupazione per la loro ampia diffusione e i potenziali effetti sugli organismi viventi. Questa tesi si concentra sull’ acido polilattico (PLA), un biopolimero considerato un’alternativa sostenibile alle plastiche tradizionali. Sebbene definito biodegradabile, il PLA si degrada efficacemente solo in condizioni di compostaggio industriale, mentre negli ambienti naturali tende a persistere. Con l’aumento della sua produzione, anche il rilascio di micro- e nanoplastiche di PLA è destinato a crescere. Sono state prodotte in laboratorio particelle di PLA mediante processi meccanici top-down (macinazione e frantumazione a sfere) e utilizzate per valutare i loro effetti sui coralli Pocillopora damicornis e Porites lutea. Le esposizioni hanno evidenziato una moderata risposta antiossidante senza danni ossidativi, mentre osservazioni microscopiche hanno mostrato che i coralli catturano attivamente le particelle attraverso muco e movimenti ciliari. Infine, è stato analizzato il processo di degradazione enzimatica delle PLA MPs, mostrando che la loro biodegradabilità dipende fortemente dal metodo di produzione. Le particelle con maggiore porosità e cristallinità risultano più suscettibili alla degradazione, indicando che le modalità di fabbricazione influenzano la persistenza ambientale del PLA.