Monitoring floating microplastics in coastal wasters of the Western Mediterranean Sea

Abstract

[eng] Plastic waste is a global threat to ecosystems, especially in marine systems where most of the threats from plastics occur. The Mediterranean Sea is one of the most polluted basins due to marine litter, particularly plastics. Although there has been progress made since the first reports were published almost five decades ago, there are still open questions regarding the sources, distribution, and fate of plastics in the ocean and the Mediterranean Sea, and monitoring approaches are still far from being fully harmonized and operational. This Thesis is structured as a collection of five research articles that aim to evaluate the current state, properties, spatiotemporal trends, and sources of floating plastic waste, particularly microplastics, in coastal areas of the Western Mediterranean Sea. After a general introduction, the first study evaluates the current state and properties of floating microplastics in the NW and SW Mediterranean Sea. This study also evaluates the incorporation potential of microplastics into in-situ captures marine organic aggregates which may contribute to their export to the deep-sea. There is a need to expand our knowledge about the processes that determine the distribution and fate of plastics in nearshore coastal areas, where little data has been collected due to the limited accessibility of scientific platforms. Therefore, in the third study, we design and implement a novel net, the “Paddle trawl”, that can be towed from recreational rowing platforms that can be used in citizen science in nearshore coastal areas. This study provided the basis for the third study, where we applied this methodology to a large-scale citizen science project along nearshore areas (< 1 km) of the Catalan coast, which gives us insight into the spatiotemporal intra-annual variability and the properties of microplastics, as well as the factors that determine their distribution. Likewise, the fourth study focuses on monitoring microplastics but considers wider temporal scales to detect long-term trends. We make use of a regional backtracking model that gives us insight into the particular sources and the sources of spatiotemporal variability of microplastics along the coastal areas (1 – 4 km from shore) along the North

Catalan coast. Finally, in the fifth study, an assessment of the concentrations, fluxes, and properties of artificial turf fibers is presented that evaluates the state of this particular type of plastic pollutant in surface waters of the NW Mediterranean Sea and rivers. It is important to continue expanding our knowledge of the processes that determine the distribution and fate of plastics, especially in nearshore coastal areas. The studies presented in this Thesis provide valuable insight into the current state of floating plastic waste in the Western Mediterranean Sea and offer new methodologies for monitoring and evaluating the impact of plastic waste in coastal areas.

[cat] Els residus plàstics són una amenaça mundial per als ecosistemes, especialment als sistemes marins, on es produeixen la majoria de les amenaces derivades dels plàstics. El mar Mediterrani és una de les conques més contaminades a causa de les deixalles marines, en particular els plàstics. Tot i que s'han fet progressos des que es van publicar els primers informes fa gairebé cinc dècades, segueix havent-hi qüestions obertes en relació amb les fonts, la distribució i el destí dels plàstics a l'oceà i el mar Mediterrani, i els enfocaments de seguiment encara disten molt d'estar plenament harmonitzats i operatius. Aquesta Tesi s'estructura com a una recopilació de cinc articles de recerca que pretenen avaluar l'estat actual, les propietats, les tendències espaciotemporals i les fonts dels residus plàstics flotants, en particular els microplàstics, a les zones costaneres del Mar Mediterrani Occidental. Després d'una introducció general, el primer estudi avalua l'estat actual i les propietats dels microplàstics flotants al nord-oest i sud-oest del Mar Mediterrani. Aquest estudi també avalua el potencial d'incorporació de microplàstics en agregats orgànics marins capturats in situ que poden contribuir a exportar-los a les profunditats marines. Cal ampliar els nostres coneixements sobre els processos que determinen la distribució i la destinació dels plàstics a les zones costaneres properes a la costa, on s'han recollit poques dades a causa de la limitada accessibilitat de les embarcacions científiques. Per tant, al tercer estudi, dissenyem i implementem una xarxa nova, la "Paddle trawl", que es pot remolcar des d’embarcacions de rem recreatives que es poden utilitzar a la ciència ciutadana en zones costaneres properes a la costa. Aquest estudi va proporcionar la base per al tercer estudi, on apliquem aquesta metodologia a un projecte de ciència ciutadana a gran escala al llarg de zones properes a la costa (< 1 km) de la costa catalana, cosa que ens permet conèixer la variabilitat espai -temporal intra-anual i les propietats dels microplàstics, així com els factors que en determinen la distribució. Així mateix, el quart estudi se centra en el seguiment dels microplàstics, però considera escales temporals més àmplies per detectar tendències a llarg termini. Fem ús d'un model de backtracking regional que ens

permet conèixer les fonts particulars i les fonts de variabilitat espai-temporal dels microplàstics al llarg de les zones costaneres (1 – 4 km de la riba) de la costa nord- catalana. Finalment, al cinquè estudi, es presenta una avaluació de les concentracions, fluxos i propietats de les fibres de gespa artificial que avalua l'estat d'aquest tipus particular de contaminant plàstic a les aigües superficials del mar Mediterrani nord-occidental i rius. És important seguir ampliant els nostres coneixements sobre els processos que determinen la distribució i la destinació dels plàstics, especialment a les zones costaneres properes a la costa. Els estudis presentats en aquesta Tesi proporcionen una visió valuosa de l'estat actual dels residus plàstics flotants al Mar Mediterrani Occidental i ofereixen noves metodologies per monitoritzar i avaluar l'impacte dels residus plàstics a les zones costaneres.

[spa] Los residuos plásticos son una amenaza mundial para los ecosistemas, especialmente en los sistemas marinos, donde se producen la mayoría de las amenazas derivadas de los plásticos. El mar Mediterráneo es una de las cuencas más contaminadas debido a los desechos marinos, en particular los plásticos. Aunque se han hecho progresos desde que se publicaron los primeros informes hace casi cinco décadas, sigue habiendo cuestiones abiertas en relación con las fuentes, la distribución y el destino de los plásticos en el océano y el mar Mediterráneo, y los enfoques de seguimiento aún distan mucho de estar plenamente armonizados y operativos. Esta Tesis se estructura como una recopilación de cinco artículos de investigación que pretenden evaluar el estado actual, las propiedades, las tendencias espaciotemporales y las fuentes de los residuos plásticos flotantes, en particular los microplásticos, en las zonas costeras del Mar Mediterráneo Occidental. Tras una introducción general, el primer estudio evalúa el estado actual y las propiedades de los microplásticos flotantes en el noroeste y suroeste del Mar Mediterráneo. Este estudio también evalúa el potencial de incorporación de microplásticos en agregados orgánicos marinos capturados in situ que pueden contribuir a su exportación a las profundidades marinas. Es necesario ampliar nuestros conocimientos sobre los procesos que determinan la distribución y el destino de los plásticos en las zonas costeras cercanas a la costa, donde se han recogido pocos datos debido a la limitada accesibilidad de las embarcaciones científicas. Por lo tanto, en el tercer estudio, diseñamos e implementamos una red novedosa, la "Paddle trawl", que puede remolcarse desde embarcaciones de remo recreativas que pueden utilizarse en la ciencia ciudadana en zonas costeras cercanas a la costa. Este estudio proporcionó la base para el tercer estudio, donde aplicamos esta metodología a un proyecto de ciencia ciudadana a gran escala a lo largo de zonas cercanas a la costa (< 1 km) de la costa catalana, lo que nos permite conocer la variabilidad espacio- temporal intra-anual y las propiedades de los microplásticos, así como los factores que

determinan su distribución. Asimismo, el cuarto estudio se centra en el seguimiento de los microplásticos pero considera escalas temporales más amplias para detectar tendencias a largo plazo. Hacemos uso de un modelo de backtracking regional que nos permite conocer las fuentes particulares y las fuentes de variabilidad espacio-temporal de los microplásticos a lo largo de las zonas costeras (1 - 4 km de la orilla) de la costa norte-catalana. Finalmente, en el quinto estudio, se presenta una evaluación de las concentraciones, flujos y propiedades de las fibras de césped artificial que evalúa el estado de este tipo particular de contaminante plástico en las aguas superficiales del mar Mediterráneo noroccidental y ríos. Es importante seguir ampliando nuestros conocimientos sobre los procesos que determinan la distribución y el destino de los plásticos, especialmente en las zonas costeras cercanas a la costa. Los estudios presentados en esta Tesis proporcionan una valiosa visión del estado actual de los residuos plásticos flotantes en el Mar Mediterráneo Occidental y ofrecen nuevas metodologías para monitorizar y evaluar el impacto de los residuos plásticos en las zonas costeras.