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Contamination of the environment with plastic debris : “Development, improvement, and evaluation of monitoring methods”

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Piehl, Sarah:
Contamination of the environment with plastic debris : “Development, improvement, and evaluation of monitoring methods”.
Bayreuth , 2020 . - VIII, 211 p.
( Doctoral thesis, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005015

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Belastung aquatischer Ökosysteme mit Kunststoffmüll: Globales und lokales Monitoring mittels Satelliten-gestützter MethodenNo information

Project financing: Andere
Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie

Abstract in another language

Improper disposal of plastics, coupled with their durability and low weight, has led to the widespread environmental pollution of plastic debris. For larger plastic debris negative ecological, cultural, economic, safety, and health impacts are reported and well known. For microplastics (particle size ≤5 mm), harmful effects are still a matter of debate. Nevertheless, microplastics are the distinct subject of national and international marine monitoring directives
(i.e. MSFD, NOAA), due to their bioavailability to a wide range of organisms, their omnipresence in the marine environment, and the lack of removal techniques once introduced. Microplastic contamination levels have been intensively examined within marine habitats. And even though
the relationship of human activities and plastic debris inputs are known, significant knowledge gaps exist on the sources, transport, and accumulation areas in terrestrial environments.

Thus, the first objective of this thesis was the identification of potential sources, pathways, and
accumulation areas of plastic debris in terrestrial environments. Three case studies on overlooked, yet potentially plastic debris containing sources and accumulation areas, were carried out. As plastics frequently enter biowastes through misthrows, we exemplarily investigated organic fertilizer from biowaste fermentation and composting as input source of microplastic debris to
farmlands. Our results indicate that, depending on receiving wastes, pretreatment of the substrate, and the technical state of the plant, organic fertilizers can contain high concentrations of microplastics. When applied to farmlands, a potential input of 35 billion to 2.2 trillion
microplastic particles per year was calculated for German arable land. As around 50% of land use in Germany is agricultural, we further investigated plastic debris contamination of a farmland neither subjected to known plastic-containing fertilizer or to plastic applications. We detected 206 large plastic pieces, and 158,100 to 292,400 microplastic pieces per hectare. Additionally, we
were the first to investigate the hyporheic zone of streambed sediments, a transition zone between fresh- and groundwater. Our exemplary study at the Rote Main river indicated that especially small microplastics (<50 μm) are infiltrated into sediments of the hyporheic zone of
streambeds. Even though, results from this study are based on one sample, it points towards another temporal sink and relevant transportation pathway for microplastics.

The lack of sufficient sample replication is a common issue in microplastic studies, mainly due to the high costs of sampling, sample processing, and analytics. Consequently, the second objective was to improve existing sampling and sample processing methods for microplastics. Concerning
sample processing, environmental samples often contain a high number of natural particles that impair spectroscopic identification of microplastics if not removed. Thus, I contributed to the development of a gentle sample purification protocol that is adaptable to a broad range of environmental samples. With the application of a series of specific enzymes, we achieved high removal efficiencies of organic matter from surface water samples (>95%) and high recovery rates of microplastics (>80%). Yet, sample replication is still a compromise between representativeness and feasibility within a project. To assess sufficient sample replication for beaches, we studied the spatial distribution of microplastics in beach sediments of the Po River Delta, in northern Italy. Our analysis of microplastics >1 mm for three different accumulation
areas suggests that for the high tide line, the recommendation by the “Technical Subgroup on
Marine Litter” of five replicates is sufficient. If accumulation areas farther from the waterline are sampled, a minimum of 10 replicates should be taken. The highly variable polymer type distribution among the accumulation areas further indicated that for a comprehensive
assessment of microplastic contamination, different accumulation areas need to be sampled. However, concerning water surface samples from coasts and the open ocean, a representative sampling will be limited simply because of their mere dimensions.

Hence, the third objective was the development of alternative monitoring methods that could provide additional information on sources, sinks, and transport pathways of buoyant plastic debris. A three-dimensional hydrodynamical model, coupled with a Lagrange particle tracking module, was utilized to forecast the transport of microplastics emitted by the Po River branches and subsequent off-washing onto adjacent beaches. A correlation with in-situ measured
microplastic abundances on the beaches was not present. In another approach, we assessed if water constituents depictable from satellite images (e.g., chlorophyll-a, suspended particulate matter, and colored dissolved organic matter) could be used as proxy to indirectly map
microplastic distribution. Under the assumption that microplastic transport is driven by similar processes, such as wind and currents, we tested if a correlation between microplastics and those water constituents exists. The results of three field data acquisitions on three different river systems showed no clear relationship, with only one data set showing a spatial correlation between microplastics and the proxy water constituents. Nevertheless, model simulations and remote sensing techniques are able to provide information on larger spatial and temporal scales,
which is why the development of this methods should be followed in future.

Abstract in another language

Die unsachgemäße Entsorgung von Plastikprodukten, die die Eigenschaft besitzen gleichzeitig leicht und stabil zu sein, hat zu einer globalen Verschmutzung der Umwelt mit Kunststoffmüll geführt. Für größeren Plastikmüll sind negative Einflüsse auf Ökologie, Kultur, Ökonomie,
Sicherheit und Gesundheit dokumentiert und bekannt, wohingegen die Gefahren von Mikroplastik (Kunststoffpartikel ≤5 mm) noch kontrovers diskutiert werden. Allerdings hat die
Bioverfügbarkeit dieser Partikel für Organismen an der Basis des Nahrungsnetzes, seine Omnipräsenz in der marinen Umwelt sowie das derzeitige Fehlen von Methoden zur Entfernung
aus der Umwelt dazu geführt, dass Mikroplastik in nationalen und internationalen Richtlinien zum Erhalt und Verbesserung der marinen Umwelt (z.B. MSFD, NOAA) aufgenommen wurde. Die
Kontamination mariner Systeme mit Mikroplastik wurde daher in den letzten Jahren gut untersucht. Doch auch wenn bekannt ist, dass das Auftreten von Kunststoffmüll in der Umwelt
mit menschlichen Aktivitäten zusammenhängt, gibt es bisher kaum Studien zum Eintrag, Transport und Verbleib von Kunststoffmüll in terrestrischen Ökosystemen.

Daher war das erste Ziel der Doktorarbeit die Identifizierung von potenziellen Quellen,
Transportwegen und Akkumulationsgebieten von Kunststoffmüll in terrestrischen Ökosystemen. Drei Fallstudien von bisher unberücksichtigten und potenziell durch Kunststoffmüll belasteten Quellen und Akkumulationsgebieten, wurden durchgeführt. Da Kunststoff durch Fehlwürfe in Bioabfälle gelangt, wurden Dünger von Bioabfallvergärungs- und Bioabfallkompostieranlagen als potenzieller Eintragspfad von Mikroplastik auf landwirtschaftliche Flächen untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass, abhängig vom zugeführten Substrat, dessen Vorbehandlung und der Art der Prozessierung, dieser einen relevanten Eintragspfad in die Umwelt darstellen kann. Wenn diese Düngemittel aus Bioabfallaufbereitungsanlagen auf Ackerland aufgebracht werden, würde sich aus unseren Ergebnissen ein potenzieller Eintrag von 35 Milliarden bis 2.2 Billionen Mikroplastikpartikeln pro Jahr in Deutschland ergeben. Da landwirtschaftliche Flächen ca. 50% der Landnutzung in Deutschland darstellen führten wir eine erste Untersuchung auf einem Ackerland in Süddeutschland durch. Auf diesem wurden weder potenziell Plastik-enthaltenen Düngemittel noch Plastikmaterialien als Hilfsmittel eingesetzt. Dabei wurden 206 größere Plastikteile und zwischen 158.100 und 292.400 Mikroplastikpartikel pro Hektar detektiert.

Darüber hinaus untersuchten wir exemplarisch am Roten Main zum ersten Mal die hyporeische Zone eines Flussbetts, als Verbindungszone zwischen Fluss- und Grundwasser. Die Ergebnisse legen nahe, dass vor allem sehr kleine Mikroplastikpartikel (<50 μm) in die hyporeische Zone des
Flussbetts infiltriert werden. Auch wenn nur eine Probe untersucht werden konnte, deuten unsere Ergebnisse auf eine weitere temporäre Senke und einen relevanten Transportweg
bestimmter Mikroplastikpartikel hin.

Eine akzeptable Replikation von Umweltproben ist derzeit bei Studien zu Mikroplastik generell problematisch, was auf kosten- und arbeitsintensive Beprobungen, Probenaufbereitung und -analyse zurückzuführen ist. Daher war das zweite Ziel der Doktorarbeit die Verbesserung bereits bestehender Methoden zur Probennahme und -aufbereitung von Mikroplastik. Hinsichtlich der Probenaufbereitung dominieren in Umweltproben meist natürliche Partikel. Diese müssen aus
der Probe entfernt werden, um anschließend die spektroskopische Identifizierung von synthetischen Polymerpartikeln nicht zu beeinträchtigen. Hierfür wurde ein Protokoll zur Aufreinigung der Mikroplastikproben entwickelt, welches auf ein breites Spektrum an
Umweltproben anwendbar ist. Durch die aufeinander folgende Nutzung spezifischer Enzyme wurde organisches Material in Proben von der Wasseroberfläche effizient entfernt (>95%), bei einer gleichzeitig hohen Wiederfindungsrate von Mikroplastikpartikeln (>80%). Dennoch ist die Anzahl der Replikate zurzeit ein Kompromiss zwischen Repräsentativität und der Machbarkeit innerhalb eines Projektes. Um eine ausreichende Replikation von Sedimentproben an Stränden
zu evaluieren, haben wir die räumliche Verteilung von Mikroplastik exemplarisch in Strandsedimenten des Poflussdeltas in Norditalien untersucht. Unsere Analyse von
Mikroplastikpartikeln >1 mm für drei verschiedene Akkumulationszonen zeigt, dass für die aktuelle Hochwasserlinie der Vorschlag der "Technical Subgroup on Marine Litter“ von fünf Replikaten ausreichend ist, wohingegen mindestens 10 Replikate für höher gelegene
Akkumulationszonen für eine repräsentative Probennahme nötig sind. Des Weiteren deutet eine höchst variable Verteilung der Polymertypen zwischen den Akkumulationszonen darauf hin, dass die alleinige Betrachtung einer einzelnen Akkumulationszone für eine vollständige Beschreibung
der Mikroplastikkontamination eines Gebietes nicht ausreicht. Wenn man allerdings Wasseroberflächenproben in Küstengebieten und im offenen Ozean betrachtet, ist eine
repräsentative Beprobung durch die enormen Dimensionen nicht möglich.

Um zusätzliche Informationen zu Quellen, Senken und dem Transport von auf der Wasseroberfläche treibendem Kunststoffmüll zu erhalten war die Entwicklung alternativer
Monitoringmethoden das dritte Ziel der Doktorarbeit. Mittels eines dreidimensionalen hydrodynamischen Modells gekoppelt mit einem Lagrange-Partikel-Modell wurde Mikroplastik,
welches durch die Poflussdelta-Mündungen entlassen wurde, verfolgt und dessen Anlandung an angrenzende Strände vorhergesagt. Allerdings ergab der Vergleich mit den Felddatenerhebungen von Mikroplastik keine Übereinstimmung mit den Modellvorhersagen. In einem weiteren Experiment untersuchten wir, ob Wasserparameter, deren Verteilung durch Satellitenbilder bestimmbar sind (z.B. Chlorophyll-a, Schwebstoffe und Gelbstoffe), als Indikatoren für die Verteilung von Mikroplastik herangezogen werden können um dessen Verbreitungsmuster vorherzusagen. Unter der Annahme, dass Mikroplastik den gleichen Transportmechanismen
(Wellen und Wind) wie den oben genannten Wasserparametern ausgesetzt ist, wurde eine mögliche Korrelation zwischen Mikroplastik und den Wasserparametern untersucht. Nur bei
einer von insgesamt drei Feldkampagnen an drei verschiedenen Flusssystemen konnte ein räumlicher Zusammenhang von Mikroplastik und Wasserparametern gezeigt werden. Dennoch
stellen sowohl hydrodynamische Modelle als auch Fernerkundungsdaten Informationen über größere räumliche Distanzen und höher aufgelöste Zeiträume bereit, weshalb die Entwicklung dieser Methoden in Zukunft weiterhin verfolgt werden sollte.

Further data

Item Type: Doctoral thesis
Keywords: plastic debris; microplastic; monitoring; remote sensing; estuary; terrestrial; FTIR spectroscopy
Institutions of the University: Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Biology > Chair Animal Ecology I
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Biology > Chair Animal Ecology I > Chair Animal Ecology I - Univ.-Prof. Dr. Christian Laforsch
Graduate Schools > University of Bayreuth Graduate School
Graduate Schools > Bayreuth Graduate School of Mathematical and Natural Sciences (BayNAT)
Faculties
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Biology
Graduate Schools
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 500 Science
Date Deposited: 19 Sep 2020 21:01
Last Modified: 21 Sep 2020 09:24
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/57332