Fate of plastics and microplastics in the marine environment

Abstract

The ease of use and versatile properties of plastics have turned them from the novelty product they were 80 years ago to one of the most non-replaceable families of materials of our time, with predictions for increased demand in the following years despite recent bans. In 2019 alone, 640 Mt of plastics were used. Various types of plastics have been developed, from simple polyolefin, such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP) to more complex, such as polystyrene (PS) and polyethylene terephthalate (PET). Traditional fossil-based plastics account for 8% of the global petroleum production. The demand for single use plastic materials, mostly used for packaging, understandably contributes to the production of vast amounts of plastic waste. In 2020, 29.5 Mt of plastic waste was generated in the EU alone. Worldwide, 22% of the plastic waste is mismanaged, ending up in landfills or being discarded, and eventually ending up in the environment, especially the seas. Mismanaged plastic land originating waste corresponds to 80% of the plastic waste entering the marine environment. There exist disagreements between the estimated amounts of plastic in the seas. Model outputs are significantly lower than calculations based on waste production and management statistics. That could be attributed either to a combination of model underestimations and plastic waste input overestimations, or to the fact that during their residence in the marine environments interact with it in ways that result in “obscuring” it. For instance, owing to their inherent density, or due to the attachment of biological factors (biofouling), plastics can move vertically within the water column and float or settle to the benthos. The effect of the UV fraction of solar radiation, heat and microorganisms can lead to photodegradation, thermodegradation or biodegradation, while mechanical stress can result in the breakdown of plastics to smaller pieces (fragmentation). While plastic particles of smaller sizes enter the ocean directly (primary partilces), fragmentation results in the formation of secondary microplastics (<5mm) and nanoplastics (<1 μm). All plastics have negative impacts on the environment and the health of marine life, but microplastics and nanoplastics can enter more organisms and in more than one way and have more pronounced impacts on the health of the receiving biota. For that reason, it is important to understand the fate of plastics and microplastics in the marine environment, what are the processes that affect them and their interactions. The aim of this dissertation is to attempt to study these processes as they occur in the marine environment, so that their role and contribution to the fate of plastics can be better understood. That was achieved in a series of microcosm, mesocosm and field experiments. These allowed the study of the plastic polymers themselves, as well as their interactions with radiation and marine organisms, the establishment of the baseline of the south-eastern Mediterranean plastic colonizing community and the examination of their effect on the polymers. The multiple scale of the experiments revealed whether it is possible to simulate the marine environment in the sea and extrapolate the results of smaller scale experiments in the actual environment. In the microcosm experiment, secondary low-density polyethylene (LDPE) and high-density polyethylene (HDPE) microplastics were incubated with two marine communities. One of the communities (Souda) was wild and the other (Agios) had previously been acclimatized to utilize plastics as a carbon source. Over the 120 days of the experiment, biofilm was formed on the surface of the microplastics of both treatments, revealing that both communities had the potential to survive with weathered plastics as the sole carbon source. Examination of the plastic particles with FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy) revealed chemical changes concurrent with biodegradation. Dynamic light scattering (DLS) allowed the observation of plastic particles with sizes between 56 nm and 4.5 μm and confirmed that biodeterioration and biofragmentation, prerequisite processes for biodegradation, occurred in the microcosms. Having established that prior acclimatization is not required for the utilization of plastics by microorganisms, polypropylene (PP) pellets with and without prior artificial weathering were incubated in mesocosms non-acclimated marine communities under semi-realistic environmental conditions for 180 days. Bacterial attachment and biofilm formation were observed in this experiment, as well. Surface changes, observed with ATR-FTIR (attenuation total reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy) revealed that also in that setup the polymer was altered as a result of solar radiation and the activity of microorganisms. No microscopic particles could be detected during dynamic light scattering (DLS) examination. Measurements of zeta-potential and colloid particle hydrodynamic diameter contained in the seawater implied that any microplastic or nanoplastic particles produced were trapped in marine aggregates. Intriguingly, a phase shift could be observed between the mesocosm containing the virgin and artificially weathered pellets, in terms of number of viable cells, in accordance with the chemical alterations of the surface of the pellets. It was thus shown that while weathered polymer substrates are readily available for biodegradation, leading to the removal of the affected layer to reveal fresh virgin polymer, virgin polymers must first undergo weathering through abiotic processes to be able to act as carbon source for marine communities. The vertical movement of plastic particles in the water column was examined over a 300-day incubation period in the bay of Souda. 5 types of plastic films (PS, PET – denser / LDPE, HDPE, PP lighter than seawater), and 3 types of plastic pellets (LDPE, HDPE, PP), before and after weathering, were examined. The accumulation of biofouling on the surface of the samples was studied. Simultaneously, their sinking velocity was determined, using a novel semi-theoretical methodology. The sinking velocity of the same plastics, after the biofouling had been removed allowed the establishment of the determining effect of biofouling on the sinking characteristics of the plastic samples. The removal of biofouling by two severe storm events allowed the examination of removal and reattachment of the biofouling agents and the better understanding of its effect on sinking and allowed the correlation of sinking velocity with the biofouling quantity. Density and sample form were found to play a role in the sinking behavior of the plastics, while weathering did not significantly affect the sinking fate of the pellets. Thus, semi-empirical mathematical expressions of sigmoid nature were proposed for the description of both the fouling development rate, as well as the changes in sinking velocity as it progressed.The same plastics used for the examination of their sinking characteristics were examined at four timepoints (35, 152, 202 and 242 days) for the fungal and bacterial community composition and succession via next generation sequencing, along with the chemical changes of their surface to investigate biodegradation. Bacterial communities were found to be more diverse and variable, dominated by Proteobacteria and Bacteroidetes. Fungal Ascomycota, which have been found to dominate epiplastic communities in the literature and potentially biodegrade plastics, dominated communities were more stable. Biodegradation was not actively confirmed in this work. The effect of one of the storm events which affected the samples for sinking behavior examination also affected the samples used for this chapter, allowing the determination of the effect of stochasticity on the plastisphere communities. Plastic type did not play a significant role towards the determination of the plastisphere community, in contrast with the stage of biofilm development along with the stochastic effect of the storm-induced biofouling removal. In conclusion, it was determined that microcosms and mesocosms are effective tools of studying plastic biodegradation, since their small volume and high concentrations allow the examination of parameters which the infinite dilution of the sea would deem impossible. The cyclical pattern of weathering and de-weathering by microorganisms was confirmed in all three scales employed here. The unreliable nature of weight measurements as a biodegradation metric was demonstrated, unless thorough sample pre-treatment has preceded. The determining effect of biofouling on the sinking behavior of samples of various sizes and densities was shown, which until now, had only been speculated. The south-easter Mediterranean plastisphere, and much more so the fungal side of it, was studied for the first time, implying that further and deeper study is needed, since plastic biodegrading taxa were observed. However, since biodegradation could not be proven in the field scale experiment, it is natural to assume that plastic biodegradation in the marine environment is minimal. Finally, while the results from scale to scale are transferrable, the process of translating lab or mesocosm derived results must be realized with extreme caution.

Η πληθώρα χρήσεων και η ευκολία στη χρήση που προσφέρουν τα πλαστικά τα ανέδειξαν από τα καινοτόμα προϊόντα που ήταν πριν 80 χρόνια σε μια από τις αναντικατάστατες ομάδες υλικών της εποχής μας, με προβλέψεις για αύξηση της ζήτησής τους, παρά τις πρόσφατες απαγορεύσεις. Το 2019 μόνο, χρησιμοποιήθηκαν 640 Mt πλαστικών. Διάφοροι τύποι πλαστικών έχουν εμφανιστεί, από τις απλές πολυολεφίνες, όπως το πολυαιθυλένιο (PE) και το πολυπροπυλένιο (ΡΡ) ως πιο πολύπλοκοι, όπως το πολυστυρένιο (PS) και το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (ΡΕΤ). Τα παραδοσιακά πλαστικά που αποτελούν παράγωγα του πετρελαίου αποτελούν το 8% της παγκόσμιας παραγωγής πετρελαίου. Η απαίτηση για πλαστικά μιας χρήσης, που χρησιμοποιούνται κυρίως ως υλικά συσκευασίας, συντελούν στην παραγωγή τεράστιων ποσοτήτων πλαστικών αποβλήτων. Το 2020 παράχθηκαν 29,5 Mt πλαστικών αποβλήτων στην ΕΕ μόνο. Παγκοσμίως, το 22% των πλαστικών αποβλήτων δεν χαίρει ορθής διαχείρισης και καταλήξει σε χωματερές ή απλώς απορρίπτεται και καταλήγει στο περιβάλλον, ειδικά στη θάλασσα. Κακώς διαχειρισμένα πλαστικά απορρίμματα με προέλευση από τη στεριά αντιστοιχεί στο 80% των πλαστικών αποβλήτων που καταλήγουν στο θαλάσσιο περιβάλλον. Διαφωνίες υπάρχουν για τις αναμενόμενες ποσότητες πλαστικών στις θάλασσες. Τα μοντέλα δίνουν σημαντικά χαμηλότερες τιμές από αυτές που υπολογίζονται στατιστικά, λαμβάνοντας υπόψιν την παραγωγή αποβλήτων και τη διαχείρισή τους. Αυτό θα ήταν δυνατό να αποδοθεί είτε σε ένα συνδυασμό υποεκτίμησης από πλευράς μοντέλων και υπερεκτίμησης των εισροών πλαστικών, είτε στο γεγονός ότι κατά την παραμονή τους στο περιβάλλον τα πλαστικά αλληλεπιδρούν με αυτό με τρόπους που καταλήγουν στο να «κρύβεται» μέρος τους. Για παράδειγμα, λόγω της πυκνότητάς τους, ή της επικάθισης βιολογικών παραγόντων, τα πλαστικά μπορούν να κινηθούν κατακόρυφα εντός της υδάτινης στήλης και να καταλήγουν να επιπλέουν ή να βυθίζονται. Η επίδραση του υπέρυθρου (UV) κλάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας, της θερμότητας και των μικροοργανισμών μπορούν μα οδηγήσουν σε φωτο-, θερμο- ή βιοαποδόμηση, ενώ η μηχανική καταπόνηση μπορεί να καταλήξει στο θρυμματισμό σε μικρότερα κομμάτια. Μικρού μεγέθους πλαστικά σωματίδια μπορούν να εισέλθουν στους ωκεανούς ως έχουν παραχθεί (πρωτογενή), ωστόσο, ο θρυμματισμός συντελεί στο σχηματισμό δευτερογενών μικροπλαστικών, με μέγεθος μικρότερο των 5 mm, και νανοπλαστικών (<1 μm). Όλα τα πλαστικά έχουν αρνητικές επιπτώσεις για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία, αλλά τα μικροπλαστικά και νανοπλαστικά δύνανται να εισέλθουν στους οργανισμούς μέσω πολλών οδών και να έχουν πιο επιβαρυντικές επιδράσεις στους αποδέκτες οργανισμούς. Για το λόγο αυτό, είναι ιδιαιτέρως σημαντική η κατανόηση της τύχης των πλαστικών και μικροπλαστικών στο θαλάσσιο περιβάλλον, των διεργασιών που τα επηρεάζουν και των αλληλεπιδράσεών τους. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να επιχειρήσει να εξετάσει τις διεργασίες αυτές, καθώς προκύπτουν στο θαλάσσιο περιβάλλον, έτσι ώστε τόσο ο ρόλος, όσο και ο βαθμός συνεισφοράς τους στην τύχη των πλαστικών να κατανοηθεί καλύτερα. Αυτό έγινε δυνατό μέσα από μια σειρά πειραμάτων σε επίπεδο μικρόκοσμων, μεσόκοσμων και πεδίου. Έτσι επιτεύχθηκε η παρακολούθηση των πολυμερών, αλλά και των αλληλεπιδράσεών τους με την ακτινοβολία και τους θαλάσσιους οργανισμούς, καθώς και ο καθορισμός της βάσης της πλαστικόσφαιρας της νοτιοανατολικής Μεσογείου, που εγκαθίσταται και επηρεάζει τα πλαστικά. Η κλιμακούμενη φύση των πειραμάτων επέτρεψε την εξέταση του κατά πόσο δύναται να προσομοιωθεί το θαλάσσιο περιβάλλον και να αναχθούν τα αποτελέσματα από μικρότερης κλίμακας πειράματα σε αυτό. Κατά το πείραμα μικρόκοσμων, δευτερογενή μικροπλαστικά από πολυαιθυλένιο χαμηλής (LDPE) και υψηλής πυκνότητας (HDPE) επωάστηκαν με δυο θαλάσσιες κοινότητες. Η μία ήταν άγρια (Souda) και η άλλη εγκλιματισμένη στη χρήση πλαστικών σαν αποκλειστική πηγή άνθρακα (Agios). Κατά τις 120 ημέρες του πειράματος, αναπτύχθηκε βιοφίλμ στην επιφάνεια των μικροπλαστικών υπό και τις δυο συνθήκες, αποκαλύπτοντας ότι και οι δυο κοινότητες διέθεταν την ικανότητα να επιβιώσουν με τα γηρασμένα πλαστικά σαν αποκλειστική πηγή άνθρακα. Εξέταση των πλαστικών σωματιδίων με FTIR (φασματοσκοπία μετασχηματισμού υπέρυθρου Fourier) έδειξε χημική φύσης αλλαγές που συνάδουν με τη βιοαποδόμηση. Ανάλυση δυναμικής σκέδασης φωτός (DLS) επέτρεψε την παρατήρηση πλαστικών σωματιδίων μεγέθους από 56 nm ως 4.5 μm και επιβεβαίωσε εντός των μικρόκοσμων τη βιοϋποβάθμιση και το βιοθρυμματισμό, διεργασίες προαπαιτούμενος για τη βιοαποδόμηση. Με αποδεδειγμένη τη μη απαίτηση προηγούμενου εγκλιματισμού για την εκμετάλλευση των πλαστικών από τους μικροοργανισμούς, σφαιρίδια πολυπροπυλενίου (PP) με και χωρίς πρότερη τεχνητή γήρανση επωάστηκαν σε μεσόκοσμους με μη εγκλιματισμένες θαλάσσιες κοινότητες υπό ημιρεαλιστικές περιβαλλοντικές συνθήκες για 180 ημέρες. Βακτηριακή επικόλληση και ανάπτυξη βιοφίλμ παρατηρήθηκαν και υπό αυτές τις συνθήκες. Αλλαγές στην επιφάνεια των σφαιριδίων που παρατηρήθηκαν με φασματοσκοπία μετασχηματισμού υπέρυθρου Fourier ολικής αποσβένουσας ανάκλασης (ATR-FTIR) αποκάλυψε ότι και υπό αυτές τις πειραματικές συνθήκες τα πολυμερή υφίσταντο μεταβολές λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας και της δράσης των μικροοργανισμών. Μικροσκοπικά σωματίδια δεν ήταν δυνατό να εντοπιστούν κατά την ανάλυση με δυναμική σκέδαση φωτός (DLS). Μετρήσεις ζ-δυναμικού και της υδροδυναμικής διαμέτρου των κολλοϊδών σωματιδίων που περιέχονταν στο θαλασσινό νερό των μεσόκοσμων υπονόησαν ότι τα όποια μικροπλαστικά και νανοπλαστικά παράχθηκαν κατά την επώαση εγκλωβίστηκαν σε θαλάσσια συσσωματώματα. Αξιοπεριέργως, παρατηρήθηκε διαφορά φάσης ανάμεσα στο μεσόκοσμο που περιείχε τα παρθένα κι εκείνον που περιείχε τα γηρασμένα σφαιρίδια. Δείχθηκε έτσι ότι ενώ τα γηρασμένα πολυμερικά υποστρώματα είναι άμεσα διαθέσιμα προς βιοαποδόμηση, ώστε να απομακρυνθεί το γηρασμένο στρώμα προς την αποκάλυψη εκ νέου παρθένου υλικού, τα παρθένα πολυμερή πρέπει πρώτα να γηρανθούν μέσω αβιοτικών διεργασιών προτού να είναι βιοδιαθέσιμα στις θαλάσσιες κοινότητες. Η κατακόρυφη κίνηση των πλαστικών σωματιδίων εντός της υδάτινης στήλης εξετάστηκε κατά την επώαση δειγμάτων για 300 ημέρες στον κόλπο της Σούδας. Μελετήθηκαν 5 τύποι πλαστικών φιλμ (PS, PET – πυκνότερα / LDPΕ, HDPE, PP – ελαφρύτερα από το θαλασσινό νερό), και 3 τύποι πλαστικών σφαιριδίων (LDPΕ, HDPE, PP), πριν και μετά από γήρανση. Εξετάστηκε η συσσώρευση βιοεπικαθίσεων στην επιφάνεια των δειγμάτων. Ταυτόχρονα, καθορίστηκε η ταχύτητα βύθισής τους χρησιμοποιώντας μια καινοτόμο ημιεμπειρική μεθοδολογία. Μελετήθηκε επίσης η ταχύτητα βύθισης των ίδιων δειγμάτων μετά από αφαίρεση των βιοεπικαθίσεων, ώστε να εξεταστεί η επίδρασή της στα πλευστικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων. Η απομάκρυνση των βιοεπικαθίσεων από δυο ισχυρές καταιγίδες επέτρεψε την παρακολούθηση της απομάκρυνσης και της επανεπικάθισης των βιολογικών παραγόντων και την καλύτερη κατανόηση της επίδρασής της επί της βύθισης και της συσχέτισής της με την ταχύτητα βύθισης. Η πυκνότητα και το σχήμα των δειγμάτων επηρέασαν σημαντικά την συμπεριφορά βύθισης των πλαστικών, ενώ η γήρανση δεν έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην τύχη βύθισης των σφαιριδίων. Κατά τον τρόπο αυτό καταρτίστηκαν ημι-εμπειρικές σιγμοειδείς μαθηματικές σχέση για την περιγραφή τόσο του ρυθμού ανάπτυξης των βιοεπικαθίσεων, όσο και της μεταβολής της ταχύτητας βύθισης.Τα ίδια δείγματα πλαστικών που χρησιμοποιήθηκαν για τα προηγούμενα χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση της σύστασης και της διαδοχής της βακτηρίασής και μυκητιακής κοινότητας μέσω της αλληλούχισης νέας γενιάς (ΝGS), σε συνδυασμό με τις χημικές αλλαγές τις επιφάνειάς τους, προκειμένου να διαπιστωθεί τυχόν βιοαποδομητική δραστηριότητα. Οι βακτηριακές κοινότητες βρέθηκε να είναι πιο ποικιλόμορφες και μεταβαλλόμενες, με κυρίαρχες βαθμίδες τα Proteobacteria και τα Bacteroidetes. Τα Ascomycota, που και στη βιβλιογραφία απαντώνται συχνά και έχουν βιοαποδομητικές ικανότητες, ήταν κυρίαρχα στις μυκητιακές κοινότητες, που αποδείχθηκαν σταθερότερες. Η βιοαποδόμηση δεν επιβεβαιώθηκε σε αυτή την εργασία. Η επίδραση μιας από τις καταιγίδες που επηρέασαν και τα πλευστικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων επηρέασε και τα δείγματα που εξετάστηκαν πριν τη συγγραφή του σχετικού με τις κοινότητες κεφαλαίου, επιτρέποντας την εξέταση της επίδρασης της τυχαιότητας και επί της δομής των μικροβιακών κοινοτήτων. Ο τύπος του πολυμερούς δεν έπαιξε σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της πλαστικόσφαιρας, σε αντίθεση με τη φάση ανάπτυξης του βιοφίλμ και της τυχαίας επίδρασης της απομάκρυνσης των βιοεπικαθίσεων από την καταιγίδα. Εν κατακλείδι, δείχθηκε ότι οι μικρόκοσμοι και οι μεσόκοσμοι αποτελούν αποτελεσματικά εργαλεία μελέτης της βιοαποδόμησης των πλαστικών, καθώς ο μικρός τους όγκος επιτρέπει την εμφάνιση συγκεντρώσεων αρκετά υψηλών για τη μελέτη παραμέτρων που υπό συνθήκες άπειρης αραίωσης στη θάλασσα δεν θα ήταν εντοπίσιμες. Τo κυκλικό μοτίβο γήρανσης και απογήρανσης από τους μικροοργανισμούς επιβεβαιώθηκε και στις τρεις πειραματικες κλίμακες που χρησιμοποιήθηκαν. Θίχθηκε η αβεβαιότητα που εισάγεται από τη μέτρηση του βάρους ως μέθοδος εκτίμησης της βιοαποδόμησης, απουσία πρότερης και ενδελεχούς προεπεξεργασίας των δειγμάτων. Δείχθηκε η καθοριστική επίδραση των βιοεπικαθίσεων στην πλευστική συμπεριφορά πλαστικών δειγμάτων διάφορων μεγεθών και πυκνοτήτων, η οποία μέχρι στιγμή είχε μόνο υποτεθεί. Η νοτιοανατολική μεσογειακή πλαστικόσφαιρα, και δη το μυκητιακό κλάσμα της, μελετήθηκε για πρώτη φορά, εντείνοντας την ανάγκη περεταίρω μελέτης, καθώς εντοπίσθηκαν πιθανοί αποδομητές των πλαστικών. Ωστόσο, η βιοαποδόμηση δεν ήταν δυνατό να δειχθεί αναμφίβολα κατά το πείραμα πεδίου. Είναι, επομένως, δυνατό να υποτεθεί ότι η βιοαποδόμηση στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι ελάχιστη. Τέλος, τα αποτελέσματα από τη μια κλίμακα στην άλλη μπορούν να μεταφερθούν, πάντα όμως με πολλή επιφύλαξη.