Macro- and microplastic pollution in shore and bed sediments of limnic ecosystems – Case study in the model catchment of Lake Tollense, Mecklenburg-Western Pomerania, Germany

Abstract

Environmental pollution by plastics is a major impact of human activity on earth. Increasing plastic production rates, mismanagement of plastic waste and longevity of this material intensified the problem in the last decades. Nowadays, plastic application covers a broad spectrum ranging from everyday objects to specialized equipment in medicine. As a result, input pathways for plastics into the environment and their respective impacts in ecosystems are manifold. Social, economic, and ecologic consequences arise from the environmental plastic pollution. The latter are predominantly entanglement of organisms in plastic items and ingestion of plastic particles by organisms. Due to these adverse effects, plastic pollution in different ecosystems and ecosystem compartments needs to be addressed in research. Research on plastic pollution increased in the last decades mainly focusing on marine environments. Plastic debris accumulates in marine basins but is transported to the oceans by rivers. Lakes may serve as (temporary) sinks on this way. As a result, comprehensive data recognizing plastic pollution in lakes is necessary to increase data reliability and improve knowledge on underlying processes for plastic input, transport, and retention mechanisms. Only recently, microplastic research in freshwaters increased and lakes around the world have been investigated with respect to their plastic pollution in different ecosystem compartments. However, comparison between existing studies is hampered by the diversity in methods concerning sampling and laboratory analyses. The further development of methods in plastic research requires harmonization of protocols and/or the possibility to compare between different approaches through systematic conversions. In this context, the presented PhD project is to be classified as part of the project MICROLIM, which analyzes microplastic concentrations at Lake Tollense, Mecklenburg-Western Pomerania, Germany. The major aims of the overall project are to budget microplastics in the model catchment of Lake Tollense and to gain information on its sources, transport pathways, and sinks. Therefore, different lake compartments are investigated concerning their plastic pollution. This PhD project thereby considers plastic pollution in the pedosphere. Lakeshore and lakebed sediments were sampled and analyzed with respect to their microplastic (<5 mm) abundances and a monitoring of anthropogenic litter (≥5 mm including macroplastics) at Lake Tollense shores was conducted, each on a semi-annual basis over a two- or three-year period, respectively. At the same time, applied methods were evaluated to contribute to the method development in plastic research. Two microplastic identification approaches, relying on Nile Red staining and varying in resolution, were assessed with respect to their comparability. The lower resolution UV light photobox approach has proven suitable for the analysis of large microplastic particles (>630 µm). It is easy to implement, inexpensive, and broadly applicable. Therefore, this approach, in combination with a provided computational conversion of results towards the high-resolution method, qualifies for the deployment in microplastic monitoring procedures, where large sample numbers and volumes need to be analyzed in a short time. In parallel, first tests showed that the application of unmanned aerial vehicles can facilitate macroplastic, or in general anthropogenic litter monitoring at lakeshores. However, further improvements in remote image analysis are necessary to apply the approach on a regular basis. The investigation of Lake Tollense shore and bed sediments verified a ubiquitous pollution by plastics resulting in mean abundances of 0.2 ± 0.1 anthropogenic litter items per m² lakeshore area and 1,410 ± 822 microplastic particles per kg dry sediment at the lakeshore as well as 10,476 ± 4,290 microplastics per kg dry sediment at the lakebed. The analysis of distribution patterns across the lake, between lakeshore segments of varying exposition and use intensities, and on the small-scale level, within lakeshore segments, showed a predominantly similar dispersion of large and small plastic items and particles. Nevertheless, factors influencing the input and distribution of anthropogenic litter and microplastics differed noticeably. In synthesis of both categories, a complex network of influencing factors and mechanisms was determined for the input and dispersion of plastics in sediments at Lake Tollense. This comprises lake related conditions (i.a. hydrology and sedimentary characteristics), external environmental influences (i.a. meteorologic and biotic factors), and human activity (i.a. population density, recreation, agriculture). Furthermore, this study verified the retention capability for microplastics by lake sediments. Study results largely correspond to outcomes of former studies considering (converted) concentrations of anthropogenic litter and microplastics and especially controlling factors for their occurrence and distribution. The data obtained for the pedosphere by this study, combined with data on microplastic pollution of other spheres at Lake Tollense within the greater framework of the MICROLIM project, supports a more reliable determination of sources, pathways, sinks, and influencing factors for the plastic pollution at lakes in general. Furthermore, the enhancement in data availability is essential for future risk assessments of plastic pollution in limnic ecosystems.

Die Umweltverschmutzung durch Plastik ist eine wesentliche Auswirkung menschlichen Handels auf der Erde. Steigende Plastikproduktionsraten, Missmanagement in der Plastikmüllverarbeitung und die Langlebigkeit des Materials haben das Problem in den letzten Jahrzehnten verschärft. Der Einsatz von Plastik deckt heutzutage ein breites Spektrum von Alltagsobjekten bis hin zu spezialisierten medizinischen Anwendungen ab. Dementsprechend vielfältig sind auch die Eintragspfade für Kunststoffe in die Umwelt sowie ihre jeweiligen Auswirkungen in den Ökosystemen. Aus der Umweltverschmutzung durch Plastik ergeben sich soziale, ökonomische und ökologische Folgen. Letztere umfassen insbesondere das Verfangen von Organismen in Plastikobjekten und die Aufnahme von Plastikpartikeln durch Organismen. Aufgrund dieser nachteiligen Auswirkungen besteht die Notwendigkeit, die Plastikverschmutzung in verschiedenen Ökosystemen sowie deren Kompartimenten zu erforschen. Die Forschung zur Plastikverschmutzung hat in den letzten Jahrzehnten, mit einem Fokus auf die marine Umwelt, zugenommen. Plastikmüll sammelt sich in marinen Becken, wobei der Transport in die Ozeane über Flüsse erfolgt. Seen können auf diesem Weg als (temporäre) Senken dienen. Folglich werden umfassende Daten benötigt, die die Plastikverschmutzung in Seen bilanzieren, um die Verlässlichkeit der Daten zu erhöhen und das Wissen bezüglich zu Grunde liegender Prozesse für Plastikeinträge, -transport und -akkumulation zu verbessern. Erst kürzlich hat die Erforschung von Süßgewässern zugenommen und Seen auf der ganzen Welt wurden im Hinblick auf ihre Plastikbelastung untersucht. Studien betrachteten dabei unterschiedliche Kompartimente, unter anderem die Pedosphäre. Ein Vergleich zwischen verschiedenen Studien ist durch eine Vielfalt unterschiedlicher Methoden für die Probenahme und Laboranalyse erschwert. Die weitere Entwicklung von Methoden zur Plastikuntersuchung erfordert eine Harmonisierung von Methodenprotokollen und/oder Möglichkeiten zur Umrechnung zwischen verschiedenen Ansätzen. In diesen Kontext ist das vorliegende Promotionsprojekt als Teil des umfassenderen MICROLIM-Projekts einzuordnen. Das Projekt MICROLIM untersucht Mikroplastikkonzentrationen am Tollensesee in Mecklenburg-Vorpommern, Deutschland. Die wesentlichen Ziele des Gesamtprojekts bestehen in der Stoffhaushaltsbilanzierung von Mikroplastik im Modelleinzugsgebiet des Tollensesees sowie der Informationsgewinnung bezüglich dessen Quellen, Transportwegen und Senken. Um dies zu erreichen, wird die Plastikverschmutzung in unterschiedlichen Kompartimenten des Sees untersucht. Das Promotionsprojekt beschäftigte sich dabei mit der Plastikverschmutzung in der Pedosphäre. In einem halbjährlichen Rhythmus wurden über die Dauer von zwei bzw. drei Jahren Sedimentproben am Seeufer und vom Seegrund entnommen und im Hinblick auf ihre Mikroplastikkonzentrationen (<5 mm) untersucht sowie ein Monitoring an Strandabschnitten bezüglich anthropogener Abfälle (≥5 mm, welche Makroplastik integrieren) durchgeführt. Gleichzeitig wurden die angewandten Methoden evaluiert, um zur Methodenentwicklung in der Plastikforschung beizutragen. Zwei Methoden zur Mikroplastikidentifizierung, die auf Färbung mit Hilfe von Nilrot basieren und sich hinsichtlich ihrer Auflösung unterscheiden, wurden in Bezug auf ihre Vergleichbarkeit untereinander getestet. Die Methode mit geringerer Auflösung, die UV-Licht Photobox, zeigte sich als geeignet für die Analyse größerer Partikel (>630 µm) und qualifiziert sich durch eine leichte Implementierung, geringe Kosten und vielfältige Anwendbarkeit. In Kombination mit der bereitgestellten Umrechnung zur Anpassung der Ergebnisse an die hochauflösende Methode, eignet sich dieser methodische Ansatz für den Einsatz in Monitoringverfahren, bei denen große Probenanzahlen bzw. -volumina in kurzen Zeiträumen analysiert werden müssen. Parallel zeigten erste Tests, dass das Monitoring von Makroplastik, bzw. allgemeiner von anthropogenem Abfall, an Stränden durch den Einsatz von Drohnen erleichtert werden kann. Weitere Verbesserungen in der fernerkundungsbasierten Bildauswertung sind jedoch nötig, um den methodischen Ansatz regelmäßig anwenden zu können. Die Untersuchung von Seeufer- und Seegrundsedimenten am Tollensesee ergab eine omnipräsente Belastung mit Makro- und Mikroplastik, die sich in Häufigkeiten von im Mittel 0,2 ± 0,1 anthropogenen Müllobjekten pro m² Uferrandabschnitt und 1.410 ± 822 Mikroplastikpartikeln pro kg Trockensediment am Seeufer, sowie 10.476 ± 4.290 Mikroplastikpartikeln pro kg Trockensediment am Seegrund ausdrückt. Die Analyse der Verteilungsmuster innerhalb bzw. entlang des Sees, zwischen Uferrandabschnitten unterschiedlicher Exposition und Nutzungsintensitäten, sowie auf kleinräumiger Ebene, innerhalb der Ufersegmente, zeigte eine überwiegend ähnliche Streuung von großen und kleinen Plastikobjekten und -partikeln. Dennoch unterschieden sich die Einflussfaktoren für den Eintrag und die Verteilung von anthropogenem Abfall und Mikroplastik. In der Synthese beider Kategorien konnte ein komplexes Wirkungsgefüge von Einflussfaktoren und Mechanismen für den Eintrag und die Ausbreitung von Plastik in Sedimenten des Tollensesees ermittelt werden. Dieses beinhaltet seebezogene Einflüsse (u.a. Hydrologie und Sedimenteigenschaften), externe Umweltfaktoren (u.a. meteorologische und biotische Faktoren) und menschliches Handeln (u.a. Bevölkerungsdichte, Freizeitbeschäftigungen, Landwirtschaft). Darüber hinaus wies die Studie das Retentionspotenzial für Mikroplastikpartikel in Seesedimenten nach. Die Ergebnisse der Studie entsprechen im Hinblick auf (umgerechnete) Konzentrationen für anthropogene Abfälle sowie Mikroplastik und insbesondere auf die Kontrollfaktoren für deren Auftreten und Verteilung weitgehend Befunden früherer Studien. Eine Kombination der in dieser Studie für die Pedosphäre gewonnenen Daten mit den Daten der Mikroplastikbelastung anderer Umweltkompartimente am Tollensesee im größeren Rahmen des MICROLIM Projektes wird eine verlässlichere Bestimmung von Quellen, Pfaden, Senken und Einflussfaktoren für die Plastikbelastung in Seen ermöhlichen. Außerdem ist die Verbesserung der Datenverfügbarkeit essenziell für zukünftige Bewertungen von Risiken, die von der Plastikbelastung limnischer Ökosysteme ausgehen.