Microplastics in surface waters and the water column of limnic ecosystems – A case study in the model catchment of Lake Tollense, Germany, with special regard to sampling concepts

Abstract

Plastics have become an environmental contaminant of raising concern. Their ubiquity in all aspects of human life has led to globally increasing production rates. Plastics may subsequently enter natu-ral ecosystems through various pathways. As most plastic polymers are optimized for durability, plastic waste accumulates in the environment. The fragmentation of larger plastic items as well as the introduction of plastic particles that are produced at a microscopic size leads to the enrichment of such microplastics in all environmental compartments. While the world’s oceans represent the final sink for microplastics in the environment, freshwaters are major pathways for microplastics from their predominantly terrestrial sources to the marine environment. Organisms of all trophic levels encounter microplastics in their habitats and may accidentally or intentionally ingest them. Besides adverse effects on the receiving organism, microplastics may be enriched within the food chain and may thus be present in human food. However, it is not fully clear to which degree microplastics pose a risk to ecosystem function or human health, which is partly due to a lack of consistent data on the abundance of microplastics in the environment. The comparability of data among studies is hampered due to a severe deficiency of methodical harmonization across working groups and an overall insufficient amount of data. Especially freshwaters are underrepresented in microplastic research, despite comprising major sources for microplastics due to the proximity to human activities. Moreover, data on microplastics in freshwaters is mostly limited to comparably large particles (>300 µm) sampled at the surface of the respective water bodies. Thus, only a rather small share of the overall amount of microplastics in freshwaters has been characterized yet. This dissertation is embedded into the framework of the DFG-funded project MICROLIM (project number 411261467), which aims to budget microplastics across environmental compartments applying harmonized methods. This is necessary for understanding the mechanisms that determine the abundance and distribution of microplastics in freshwater as well as their flow paths. Lake Tollense in Mecklenburg-Western Pomerania was chosen as a model lake in this context. The present dissertation analyzes microplastics in the aqueous phase of the study area, namely in Lake Tollense and its tributaries. Besides enlarging the database on microplastics in freshwater in general, this dissertation specifically aimed to (1) develop and evaluate an in situ pump filtration system for consistently sampling small microplastics (<300 µm), (2) evaluate the representativeness of different sampling concepts for microplastics in freshwater, (3) obtain data on microplastic concentrations in the water column of Lake Tollense and connected driving factors, and (4) determine microplastic concentrations and fluxes in the tributaries of the Tollense catchment. These specific aims were addressed in three consecutive publications that are the foundation of this cumulative dissertation. In the first publication, microplastic concentrations obtained by manta trawling and by sampling with a self-developed in situ pump filtration system were compared. Moreover, the influence of sample volume (amount of filtered water) and number of samples on the representativeness of calculated microplastic concentrations was assessed. In the second publication, the vertical concentration profile of microplastics in Lake Tollense was analyzed and distinct vertical gradients were found. These gradients were foremost influenced by particle properties of the sampled microplastics as well as by wind-induced vertical mixing processes. In the third and final publication of this cumulative dissertation, microplastic concentrations and fluxes in tributaries of the Tollense catchment were evaluated. Local hydrodynamics and land cover were found to be of relevance for the obtained microplastic concentrations. Additionally, two in in situ pump filtration systems with deviating cut-off sizes were compared. Microplastic concentrations in the Tollense catchment were generally at an intermediate level compared to previous reports, although it has to be stated that this comparison is hampered due to methodical differences between studies. Identified driving factors for the abundance and distribution of microplastics in the Tollense catchment comprise wind forcing and local hydrodynamics, lateral inputs, anthropogenic activities, and properties of the microplastic particles. The newly developed in situ pump filtration system used in all three original publications demonstrated its capability to balance between collecting sufficiently small microplastics (>63 µm) and filtrating sufficiently large amounts of water (1,000 l). It also facilitated the analyses of vertical concentration gradients on a sound number of samples. Synthesizing the findings of all three original publications, this dissertation emphasizes the importance of sampling concepts for the derived microplastic concentrations. The variability of microplastic concentrations between the sampling systems exceeded the environmental variability (spatial and temporal) determined with a single sampling system by far. Therefore, derived pollution patterns largely depend on the respective sampling concept. Moreover, this dissertation shows that representativeness in microplastic research depends on a complex network of pollution characteristics, such as particle concentrations or shapes, and that representative sampling can unlikely be achieved by a single sampling device. In the context of MICROLIM, this dissertation could not verify a potential storage function of Lake Tollense based on the microplastics fluxes in its tributaries. The inclusion of cross-compartment data, especially atmospheric deposition, will help to clarify this aspect and allow for estimating a microplastic budget for an entire freshwater catchment for the first time.

Plastik ist ein Umweltkontaminant mit zunehmender Bedeutung. Seine Allgegenwärtigkeit in allen Aspekten des menschlichen Lebens hat zu einer weltweit steigenden Plastikproduktion geführt. In der Folge kann Plastik über verschiedene Wege in natürliche Ökosysteme gelangen. Da die meisten Kunststoffpolymere im Hinblick auf ihre Langlebigkeit optimiert sind, reichert sich Kunststoffabfall in der Umwelt an. Die Fragmentierung größerer Plastikpartikel sowie der Eintrag von Plastikpartikeln, die bereits mikroskopisch klein hergestellt werden, führt zur Anreicherung von solchem Mikroplastik in allen Umweltkompartimenten. Während die Weltmeere die finale Senke für Mikroplastik in der Umwelt darstellen, sind Süßgewässer wichtige Transportwege für Mikroplastik von ihren überwiegend terrestrischen Quellen in die marine Umwelt. Organismen aller trophischer Ebenen treffen in ihren Lebensräumen auf Mikroplastik und können es versehentlich oder absichtlich aufnehmen. Neben schädlichen Auswirkungen auf den aufnehmenden Organismus, kann Mikroplastik in der Nahrungskette angereichert werden und somit auch in der menschlichen Nahrung vorhanden sein. Es ist nicht vollständig klar, in welchem Ausmaß Mikroplastik ein Risiko für die Funktion von Ökosystemen oder die menschliche Gesundheit darstellt, was zum Teil auf einen Mangel an konsistenten Daten über das Vorkommen von Mikroplastik in der Umwelt zurückzuführen ist. Die Vergleichbarkeit der Daten zwischen den Studien wird durch mangelnde methodische Harmonisierung und eine insgesamt unzureichende Datenlage erschwert. Insbesondere Süßgewässer sind in der Mikroplastikforschung unterrepräsentiert, obwohl sie aufgrund der Nähe zu menschlichen Aktivitäten wichtige Quellen für Mikroplastik zusammenführen. Zudem beschränken sich Daten zu Mikroplastik in Süßgewässern meist auf vergleichsweise große Partikel (>300 µm), die an der Oberfläche der jeweiligen Gewässer gesammelt wurden. Somit ist bisher nur ein relativ kleiner Teil der Gesamtmenge an Mikroplastik in Süßgewässern charakterisiert worden. Vorliegende Dissertation ist in das von der DFG geförderte Projekt MICROLIM (Projekt-Nr. 411261467) eingebettet, welches darauf abzielt, Mikroplastik über Umweltkompartimente hinweg mittels harmonisierter Methoden zu bilanzieren. Dies ist notwendig, um die Mechanismen zu verstehen, die das Vorkommen und die Verteilung sowie die Flüsse von Mikroplastik in Süßgewässern bestimmen. Der Tollensesee in Mecklenburg-Vorpommern wurde in diesem Zusammenhang als Modellsee ausgewählt. In der vorliegenden Dissertation wird Mikroplastik in der wässrigen Phase des Untersuchungsgebietes, nämlich im Tollensesee und seinen Zuflüssen, analysiert. Neben der Erweiterung der Datenbasis zu Mikroplastik in Süßgewässern im Allgemeinen, hat diese Dissertation folgende spezifische Ziele: (1) Entwicklung und Evaluierung eines in situ Pumpenfiltrationssystems zur konsistenten Beprobung von kleinem Mikroplastik (<300 µm), (2) Evaluierung der Repräsentativität verschiedener Probenahmekonzepte für Mikroplastik in Süßwasser, (3) Gewinnung von Daten zu Mikroplastikkonzentrationen in der Wassersäule des Tollensesees sowie den damit verbundenen Steuergrößen und (4) Bestimmung von Mikroplastikkonzentrationen und -flüssen in den Zuflüssen und dem Abfluss des Tollense-Einzugsgebietes. Diese spezifischen Ziele wurden in drei aufeinanderfolgenden Publikationen verfolgt, die die Grundlage dieser kumulativen Dissertation bilden. In der ersten Publikation wurden Mikroplastikkonzentrationen verglichen, die mittels Manta Trawl und durch Beprobung mit einem selbstentwickelten in situ Pumpenfiltrationssystem gewonnen wurden. Außerdem wurde der Einfluss des Probenvolumens (Volumen des gefilterten Wassers) und der Probenanzahl auf die Repräsentativität der abgeleiteten Mikroplastikkonzentrationen untersucht. In der zweiten Veröffentlichung wurde das vertikale Konzentrationsprofil von Mikroplastik im Tollensesee analysiert und dabei deutliche vertikale Gradienten gefunden. Diese Gradienten wurden in erster Linie durch Partikeleigenschaften des beprobten Mikroplastiks sowie durch windinduzierte vertikale Mischungsprozesse im See beeinflusst. In der dritten und letzten Veröffentlichung dieser kumulativen Dissertation wurden Mikroplastikkonzentrationen und -flüsse in Fließgewässern des Tollense-Einzugsgebietes ausgewertet. Dabei wurde festgestellt, dass die lokale Hydrodynamik und die Landbedeckung für die abgeleiteten Mikroplastikkonzentrationen von Bedeutung sind. Zusätzlich wurden zwei in situ Pumpenfiltrationssysteme mit unterschiedlichen unteren Erfassungsgrenzen verglichen. Im Allgemeinen lagen die Mikroplastikkonzentrationen im Tollense-Einzugsgebiet im Vergleich zu früheren Studien auf einem mittleren Niveau, obwohl darauf hingewiesen werden muss, dass dieser Vergleich durch methodische Unterschiede zwischen den Studien erschwert wird. Steuergrößen, die sichtbaren Einfluss auf das Vorkommen und die Verteilung von Mikroplastik im Tollense-Einzugsgebiet haben, umfassen das lokale Windfeld und die lokale Hydrodynamik, laterale Einträge, anthropogene Aktivitäten und die Partikeleigenschaften des Mikroplastiks. Mittels des hier entwickelten in situ Pumpenfiltrationssystem, welches in allen drei Originalpublikationen verwendet wurde, konnte eine Balance zwischen der Erfassung von hinreichend kleinem Mikroplastik (>63 µm) und der Filtration ausreichend großer Wassermengen (1.000 l) hergestellt werden. Das System ermöglichte darüber hinaus die Analyse vertikaler Konzentrationsgradienten auf Grundlage einer soliden Probenanzahl. Durch die Synthese der Ergebnisse aller drei Originalpublikationen unterstreicht diese Dissertation die Bedeutung der Probenahmekonzepte für die abgeleiteten Mikroplastikkonzentrationen. Die Variabilität der Mikroplastikkonzentrationen zwischen den Probenahmesystemen überstieg die mit einem einzelnen Probenahmesystem ermittelte Umweltvariabilität (räumlich und zeitlich) bei weitem. Daher hängen die abgeleiteten Verschmutzungsmuster stark vom jeweiligen Probenahmekonzept ab. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, dass die Repräsentativität in der Mikroplastikforschung von einem komplexen Geflecht von Verschmutzungsmerkmalen, wie z.B. Partikelkonzentrationen oder -formen, abhängt und eine repräsentative Beprobung mit einem einzelnen Probenahmegerät wahrscheinlich nicht erreicht werden kann. Im Rahmen von MICROLIM konnte in dieser Dissertation eine mögliche Speicherfunktion des Tollensesees anhand der Mikroplastikflüsse in seinen Zuflüssen nicht verifiziert werden. Die Einbeziehung von kompartimentübergreifenden Daten, insbesondere der atmosphärischen Deposition, wird zur Klärung dieses Aspekts beitragen und erstmals die Abschätzung eines Mikroplastikbudgets für ein ganzes Süßwassereinzugsgebiet ermöglichen.