Microplastic pollution in the Greek seas

Abstract

ABSTRACT The first part of the present study investigates the distribution patterns of floating microplastics (MPs) (300μm-5mm) in the Greek Seas in relation to their sources and sea surface circulation. High variability in MPs concentrations was measured (0.012 items m-2 to 1.62 items m-2). Field data, did not present maximum concentrations close to hot spot areas, as expected from the model data. The presence of sea surface slicks appears to play a key role in the distribution pattern of MPs, as the highest concentrations were recorded within these slicks. The dominant shape type of MPs were fragments (50-60 %) and the most common polymer type was polyethylene (PE). The second part examines the MPs seasonal variation at the sea surface (0 -15 cm) and subsurface (0.5 -2m) and the co-occurrence of MPs with zooplankton in the subsurface waters. Specifically, significantly higher MPs concentrations were found at the sea surface during spring than autumn. In contrast, no seasonal variation in MPs concentrations was observed at the subsurface layer. The surface layer consistently showed significantly higher MPs concentrations (spring: 0.74 – 6.62 items * m-3; autumn: 0.23 – 1.49 items * m-3 ) than the subsurface (spring: 0.01 - 0.27 items * m3 ; autumn: 0.02 - 0.2 items * m-3) layer during both seasons. Additionally, the surface layer exhibited a higher abundance of MPs polymer types compared to the subsurface layer during both seasons. The dominant shape type during both seasons and water layers was fragments. Furthermore, a positive relationship was observed between MPs concentrations (items * m-3) and total zooplankton biomass (mg * m-3) in both the surface and subsurface layers. The third part presents an in-depth FT-IR analysis of weathered spectra for the two most abundant polymer types found floating in the sea: polyethylene (PE) and polypropylene (PP). The results for floating marine MPs showed that 77% of PE and 81% of PP fell within the weathering index range of 0.6 to 1. The interlaboratory comparison between Greece and Belgium confirmed the hypothesis that instrumental variation affects carbonyl index calculations. It also demonstrated that preprocessing methods for weathered spectra can significantly enhance the consistency of weathering index results across laboratories. Estimating the weathering status of environmental MPs is crucial for understanding their fragmentation, distribution, and sinking behavior in the ocean, as well as for establishing effective policies to mitigate microplastic pollution.

Το πρώτο μέρος της διατριβής διερευνά τα πρότυπα κατανομής των επιπλεόντων μικροπλαστικών (MPs) (300μm - 5mm) στις Ελληνικές Θάλασσες. Βρέθηκε υψηλή μεταβλητότητα στις συγκεντρώσεις των MPs (0.012 items * m-2 - 1.62 items * m-2). Τα δεδομένα πεδίου δεν παρουσίασαν τις αναμενόμενα μέγιστες συγκεντρώσεις κοντά στις ‘hot spot’ περιοχές, όπως προέβλεπαν τα μοντέλα. Αντίθετα οι μέγιστες συγκεντρώσεις βρέθηκαν κατά την παρουσία επιφανειακών ‘slicks’. Ο επικρατέστερος μορφολογικός τύπος των MPs ήταν τα θραύσματα (50 - 60 %) και ο πιο κοινός τύπος πολυμερούς ήταν το πολυαιθυλένιο. Το δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάζει την εποχιακή μεταβλητότητα των συγκεντρώσεων MPs στο επιφανειακό (0 - 15 cm) και υποεπιφανειακό (0 - 2m) στρώμα της θάλασσας, καθώς και την συνύπαρξη των MPs με το ζωοπλαγκτόν στο υποεπιφανειακό στρώμα. Το επιφανειακό στρώμα παρουσίασε υψηλότερες συγκεντρώσεις MPs (άνοιξη : 0.74 – 6.62 items * m-3; φθινόπωρο: 0.23 – 1.49 items * m-3 ) συγκριτικά με το υποεπιφανειακό στρώμα (άνοιξη: 0.01 - 0.27 items * m3 ; φθινόπωρο: 0.02 - 0.2 items * m-3) κατά τη διάρκεια και των δυο εποχών. Επιπλέον, το επιφανειακό στρώμα παρουσίασε μεγαλύτερη αφθονία πολυμερών συγκριτικά με το υποεπιφανειακό στρώμα και τις δυο εποχές. Ο επικρατέστερος μορφολογικός τύπος των MPs κατά τη διάρκεια και των δυο εποχών και στρωμάτων ήταν τα θραύσματα. Επιπλέον παρατηρήθηκε θετική συσχέτιση μεταξύ των συγκεντρώσεων MPs (MPs * m-3) και της συνολικής βιομάζας ζωοπλαγκτόν (mg * m-3) και στα δυο στρώματα. Το τρίτο μέρος της διατριβής παρουσιάζει μια εις βάθος ανάλυση των διαβρωμένων φασμάτων των δυο πιο διαδεδομένων τύπων πολυμερών παγκοσμίως το πολυαιθυλένιο (PE) και το πολυπροπυλένιο (PP) με τη χρήση FT-IR. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το 77% των δειγμάτων PE και το 81% των δειγμάτων του PP ήταν εντός του 0.6 - 1 του δείκτη διάβρωσης που χρησιμοποιήθηκε. Συγκριτική μελέτη μεταξύ εργαστηρίων στην Ελλάδα και το Βέλγιο επιβεβαίωσε την υπόθεση ότι η χρήση διαφορετικών οργάνων FT-IR επηρεάζει τους υπολογισμούς του δείκτη γήρανσης. Ακόμα αποδείχθηκε πως η προεπεξεργασία διαβρωμένων φασμάτων βελτιώνει σημαντικά την συγκρισιμότητα μεταξύ των δυο εργαστηρίων. Η εκτίμηση της διάβρωσης περιβαλλοντικών MPs είναι σημαντική για την κατανόηση της θρυματοποίησης, κατανομής και καταβύθισης τους στη θάλασσα, καθώς επίσης και την ανάπτυξη νομοθεσίας περιορισμού της θαλάσσιας ρύπανσης από μικροπλαστικά.