Microplastic pollution in transitional environments. Methods, occurrence, and fate of microplastics in the Mediterranean Sea

Abstract

Durant aquest últim segle, els materials fets de plàstics han esdevingut una part essencial de les nostres vides. L'èxit d'aquests materials resideix en la seva diversitat, versatilitat i durabilitat, però també en el baix cost de producció. Això ha causat un creixement exponencial de la producció global de plàstic. La combinació de la seva incessant producció amb unes limitades polítiques de gestió de residus i baixes inversions per fer front a aquest tipus de residus ha resultat en l'acumulació de materials plàstics al medi ambient. El problema de la contaminació per plàstics, i específicament microplàstics, és saber el motiu pel qual aquests estan arribant als mars i oceans, on s'acumulen i interaccionen amb diversos organismes. Aquestes interaccions representen un risc emergent que afecta a individus a nivell cel·lular i té la capacitat d'alterar el funcionament d'ecosistemes. L'estudi de microplàstics és incipient, per la qual cosa la comunitat científica s'enfronta a la manca d'estandardització en les metodologies de mostreig, preparació de mostres i identificació. Això limita la comprensió a fons del problema, tant a escala mundial com a nivell regional. Aquesta tesi contribueix a la interpretació de la investigació sobre microplàstics als compartiments abiòtics del mar Mediterrani. Això es va dur a terme revisant la literatura existent, proporcionant la interpretació dels mètodes i la presència de microplàstics en aquesta regió. Els resultats van mostrar com les diferents metodologies estan afectant la comprensió actual de l'ocurrència, la dispersió i el destí d'aquests contaminants al Mar Mediterrani. Alhora, l'estudi conclou que és necessària la col·laboració internacional entre els països del Mediterrani. A més, aquesta tesi té com a objectiu proporcionar informació sobre la dispersió i la distribució dels microplàstics a zones de transició entre el medi terrestre i marí. Tres capítols d'aquesta tesi se centren en la investigació de la presència i propietats dels microplàstics en diferents platges del Mediterrani i al Delta de l'Ebre, situat al Nord-oest del Mar Mediterrani. Les platges del Mediterrani atrauen milions de turistes promovent i sustentant el desenvolupament de les economies locals. Tot i això, els impactes ambientals i socials del turisme no són trivials. El nostre estudi va avaluar com varia la presència de residus a nivell estacional com a conseqüència del turisme. Els resultats van mostrar una variació estacional seguint l'augment de visitants a les platges. El predomini de fibres, sobre qualsevol altre tipus de microplàstics, ressalta el paper de la deposició atmosfèrica com a font de residus d'origen antropogènic. L'estudi proposa recomanacions per ajudar en futurs esforços de monitorització. Els estudis al delta de l'Ebre se centren en i)l'estuari i ii)el prodelta del riu. Les troballes del primer estudi mostren el paper del riu Ebre com a font de microplàstics al Mediterrani. Tot i això, les altes concentracions trobades als sediments indiquen el potencial de l'estuari com a àrea d'acumulació d'aquests contaminants. Al segon estudi, amb l'objectiu d'avaluar com s'acumulen (taxa d'acumulació) i quin és el destí ambiental dels microplàstics al fons marí, es va investigar la presència de microplàstics en un testimoni de sediment marí. Els resultats van indicar que la presència de microplàstics als sediments del prodelta de l'Ebre ha augmentat amb el temps, mostrant que la massa segrestada de petits microplàstics segueix una tendència exponencial similar a la taxa de producció global de materials plàstics. En general, els resultats d'aquesta tesi manifesten la creixent acumulació de microplàstics al medi marí, emfatitzant el paper dels sediments bentònics com un important reservori d'aquests contaminants.

En menos de un siglo, los materiales plásticos se han convertido en una parte esencial de nuestras vidas. El éxito de estos materiales reside en su diversidad, versatilidad y durabilidad, pero también en su relativo bajo coste de producción. Esto ha causado crecimiento exponencial en la producción global de plástico. La combinación de su incesante producción con limitadas políticas de gestión de residuos y bajas inversiones para hacer frente a este tipo de residuos ha resultado en la acumulación de materiales plásticos en el medio natural. El problema de la contaminación por plásticos, específicamente microplásticos, es severo porque estos contaminantes están llegando al medio marino, donde se acumulan, interaccionando con diversos organismos representando un riesgo emergente que afecta desde individuos a nivel celular hasta alterar el funcionamiento de ecosistemas. El campo de investigación de la contaminación por microplásticos es incipiente, por lo que la comunidad científica se enfrenta a la falta de estandarización en las metodologías de muestreo, preparación de muestras e identificación, lo que limita la comprensión precisa del problema a escala mundial o regional. Esta tesis contribuye a la interpretación de la investigación sobre microplásticos en los compartimentos abióticos del mar Mediterráneo. Esto se llevó a cabo con la revisión detallada de la literatura, proporcionando la interpretación de los métodos y la presencia de microplásticos en esta región. Los resultados mostraron cómo las diferentes metodologías están afectando a la comprensión actual de la ocurrencia, dispersión y destino de estos contaminantes en el Mar Mediterráneo. Al mismo tiempo, el estudio afirma la necesidad de una colaboración internacional, entre los países del Mediterráneo. Además, esta tesis tiene como objetivo proporcionar información sobre la dispersión y el destino ambiental de los microplásticos en zonas de transición, que representan la interfaz entre el medio terrestres y marinos. Tres capítulos de esta tesis se centran en la investigación de la presencia y propiedades de los microplásticos a lo largo de diferentes playas del Mediterráneo y en el Delta del Ebro, Noroeste del Mar Mediterráneo. Las playas del Mediterráneo atraen a millones de turistas promoviendo y sustentando el desarrollo de las economías locales; sin embargo, los impactos ambientales y sociales del turismo no son triviales. Nuestro estudio evaluó la variación estacional en la presencia de residuos como consecuencia del turismo. Los resultados mostraron una variación estacional siguiendo el aumento de visitantes a las playas. El predominio de fibras, sobre otro tipo de microplásticos, resalta el papel de la deposición atmosférica como fuente de basura antropogénica. El estudio propone recomendaciones para ayudar en futuros esfuerzos de monitoreo. Los estudios en el delta del Ebro se centran en i)el estuario y ii)el prodelta del río. Los hallazgos del primer estudio muestran el papel del río Ebro como fuente de microplásticos al Mediterráneo. Aunque las altas concentraciones encontradas en los sedimentos indican el potencial del estuario como área de acumulación de estos contaminantes. En el segundo estudio con el objetivo de evaluar la tasa de acumulación de los microplásticos en el fondo marino y su destino ambiental una vez enterrados en los sedimentos, se investigó la presencia de microplásticos en un testigo de sedimento marino. Los resultados indicaron que la presencia de microplásticos en los sedimentos del prodelta del Ebro ha aumentado con el tiempo, mostrando que la masa secuestrada de pequeños microplásticos sigue una tendencia exponencial similar a la tasa de producción global de materiales plásticos. En general, los resultados de esta tesis manifiestan la creciente acumulación de microplásticos en el ambiente marino, enfatizando el papel de los sedimentos bentónicos como un importante reservorio de estos contaminantes.

In less than a century, plastic materials have become an indispensable part of our societies. Their diversity, versatility, and durability promoted their success, besides the reasonable low price of their manufacturing rapidly led to an exponential growth in their global production. This tendency is analogous to the pace at which plastics are discarded. All in all, their rapid production, in combination with the poor policies and low investments to cope with plastic wastes, has resulted in these pollutants accumulating in the natural environment. Concern over plastics, specifically microplastics, is severe when entering, accumulating, and interacting in the marine environment. These pollutants represent an increasing risk, from damaging at the individual cellular level to altering the ecosystem's function. The microplastic research community is dealing with a lack of standardization on sampling, sample preparation, and identification methodologies which jeopardize the accurate comprehension of the microplastic pollution issue at global or regional scales. This thesis contributes to the interpretation of the microplastic research in the abiotic compartments of the Mediterranean Sea, with a detailed literature review and interpretation of the methods and presence of microplastics in this region. The results showed how different methodologies shape our current understanding of these pollutants' occurrence, dispersion, and fate in the Mediterranean Sea. The study also highlights the future perspectives of microplastic research in the basin while claiming the need for an inter-basin collaboration to strengthen the efforts to address this demanding challenge. Besides, this thesis aims to provide insights into the dispersion and fate of microplastics in transitional environments, the interface between land and marine environments. These areas represent a crucial role in understanding the microplastic fluxes entering the marine environment and, in their potential, as depositional areas preventing these pollutants from reaching the marine realm. In particular, three chapters investigate the microplastic occurrence and properties along different Mediterranean beaches and in the Ebro Delta (NW Mediterranean Sea). The Mediterranean beaches, every year, attract millions of tourists promoting and sustaining the development of the local economies; however, the environmental and social impacts are not trivial. The study evaluated the seasonal variation of micro-litter as an effect of tourism on a large geographical and time scale. The results showed a seasonal variation as an effect on the increase of visitors to the beaches, but the predominance of fibers emphasized the role of atmospheric deposition as a source of anthropogenic litter. The study also shows the challenges of monitoring micro-litter at high resolution on a large geographical scale, providing recommendations for further efforts. The studies in the Ebro Delta targeted i)the estuary to investigate the dispersion of the microplastic across the different environmental compartments and ii)the prodelta of the river to assess the accumulation of microplastics over time. The first study's findings showed the Ebro River's role as a source of microplastics to the Mediterranean Sea, but the relevant concentrations of microplastics found in the benthic sediments indicated their potential as accumulation areas. The second study elaborated on these conclusions, aiming to assess the rate at which microplastics are sequestered on the seafloor, and their fate once buried within the sediments. To address these questions, the presence of microplastics was investigated in a sediment core combining palaeoceanographic approaches and microplastic analytical methods. The presence of microplastics in the sediments of the Ebro prodelta has increased over time, showing the sequestered mass of small microplastics mimics the global plastic production. Overall, the results reported in this dissertation provide further evidence of the increasing accumulation of microplastics in the marine environment, emphasizing the benthic sediments' role as a major reservoir of these pollutants.