Transport and Behaviour of Microplastic in Lake Systems

Titelangaben

Elagami, Hassan:
Transport and Behaviour of Microplastic in Lake Systems.
Bayreuth , 2023 . - IV, 146 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

Volltext

	Format: PDF Name: PhD_thesis_Hassan Elagami - Endversion.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Deutsches Urheberrechtsgesetz. Das Dokument darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt werden. Darüber hinaus bedürfen die Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und jede Art der Verwertung der schriftlichen Zustimmung des jeweiligen Rechteinhabers.
	Download (18MB)

Abstract

Lakes are important ecosystems, with an array of organisms that may be sensitive to microplastic. One of the primary controls on microplastic uptake is the residence time in the water column, which is governed by several physical, biological, and hydrodynamical factors existing in the lake. In this dissertation, we combined 4 interrelated studies to investigate the behavior of microplastic in lake systems and understand how this can affect their residence times in the lake water column, as well as the exposure time to lake organisms. Study 1 combines systematic laboratory experiments and lake incubations to understand the effect of microplastic properties on the residence times and investigate how this affects their exposure time to lake organisms. This was followed by model calculations to estimate microplastic residence time, accumulation, and transfer between lake compartments in a stratified water column broadly based on Upper Lake Constance, Germany. A wide range of biodegradable and non-biodegradable microplastic particles with various sizes and densities were used. The laboratory experiments identified particle size and density as the primary controls on residence times. The microplastic particles that had been incubated for up to 30 weeks were colonized by a range of biofilms and associated extracellular polymeric substances. Although the settling velocity did not vary between pristine and colonized microplastic particles, the biofilms acted as an adhesive and increased the tendency for the formation of aggregates. Finally, the modelled residence times varied over a very wide range of time scales (10−1 to 105 d), depending on the particle size (1, 100, 500,1000 μm). The long residence time for the smallest microplastic suggests that there is a high likelihood that these particles will be taken up at some stage by lake organisms. Study 2 aims at evaluating the different factors that control the residence time of microplastic particles such as particle density, size, and shape as well as water temperature using computational fluid dynamics (CFD) simulations. The model was validated using the experimental results of study 1. The CFD model presented that particle size and density are the most important factors controlling the settling velocities of the particles under laminar conditions. By doubling the density of a given particle size, the settling velocity increased by ~380 and 480 % for irregular and regular particles respectively. Increases up to ~ 95 and 225% could be obtained by doubling the volume of irregular and regular particles respectively. Other factors such as particle shape and water temperature had less effect on the settling velocity of 2 microplastic than that of density and size. Finally, the CFD results still overestimated the settling velocities from the laboratory experiments although the initial and boundary conditions of the CFD model were defined according to the real experimental setup. Study 3 combines a series of in-lake mesocosm experiments and random walk modelling to quantitatively analyze the processes governing microplastic transport in the lake water column. The experiments were conducted over one year using three size ranges of fluorescent microspheres (1-5, 28-48, and 53-63 μm), capturing stratified and unstable conditions within the mesocosm. The measured residence times of the smallest particles during lake turnover were ~12 times shorter than that in summer. The residence times from the random walk model for the smallest particles during thermal stratification using Stokes velocities were ~10 times longer than the measured residence times in the mesocosm. However, the modeled residence times using settling velocities measured in the laboratory and mesocosm were comparable to the real residence times in the mesocosm. Finally, the modeled residence times during lake turnover were 113 times longer than that in the mesocosm. We believe that these discrepancies are due to the interactions between small microplastic particles and existing particles, as well as the complex hydrodynamic and biological conditions in the lake water column. Study 4 uses laboratory and virtual experiments to quantify microplastic residence times in a purely physical system controlled by sinking and mixing and compare this to a system where daphnia package microplastic into faecal pellets. The simulations were parametrized using data from Lake Constance, Germany, and Esthwaite Water, UK as well as from existing literature and our own laboratory experiments. The simulations showed that when neglecting the biological pathway, the residence times for the 0.5 and 5 μm particles (>15 years) have exceeded the retention time of both lakes. After adding daphnia to the system, the residence times were reduced to ~1 year. The large 15 μm particles had a residence time between 1 and 2.5 years in the abiotic system and <1.6 years after daphnia was included. These results emphasize the significance of considering lake ecology when assessing residence times. The results from the four studies show the complexity of microplastic transport in lake systems as many interrelated physical, biological, and hydrodynamic processes are involved in their transport process in the lake water column.

Abstract in weiterer Sprache

Seen sind wichtige Ökosysteme mit einer Vielzahl von Organismen, die empfindlich auf Mikroplastik reagieren können. Einer der wichtigsten Faktoren für die Aufnahme von Mikroplastik ist die Verweilzeit in der Wassersäule, die von mehreren physikalischen, biologischen und hydrodynamischen Faktoren abhängig ist. In dieser Dissertation haben wir vier zusammenhängende Studien kombiniert, um das Verhalten von Mikroplastik in Seen zu untersuchen und herauszufinden, wie dies die Verweilzeit in der Wassersäule des Sees und die Expositionszeit für Seeorganismen beeinflussen kann. Studie 1 kombiniert Laborexperimente mit Mikroplastikinkubationen, um die Auswirkungen der physikalischen Eigenschaften von Mikroplastik auf die Verweilzeit und die Expositionszeit für Seeorganismen zu verstehen. Darauf folgten Modellsimulationen zur Ermittlung der Verweilzeit von Mikroplastik, der Akkumulation und des Transfers zwischen den Seekompartimenten in einer geschichteten Seewassersäule, die grundsätzlich auf dem Obersee (Bodensee) in Deutschland basiert. Verschiede biologisch und nicht biologisch abbaubare Mikroplastikpartikel mit unterschiedlichen Größen und Dichten wurden verwendet. Von Laborexperimenten wurden die Partikelgröße und -dichte als die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Verweilzeit ermittelt. Die Mikroplastikpartikel, die bis zu 30 Wochen lang inkubiert wurden, wurden von einer von Biofilmen und extrazellulären polymeren Substanzen besiedelt. Obwohl die Sinkgeschwindigkeit zwischen fabrikneuen und inkubierten Mikroplastikpartikeln nicht signifikant variierte, wirkte der Biofilm als Klebstoff und führte zur Bildung von Aggregaten. Schließlich variierten die modellierten Verweilzeiten je nach Partikelgröße (1, 100, 500, 1000 μm) über einen sehr weiten Bereich von Zeitskalen (10-1 bis 105 d). Die extrem langen Verweilzeiten von kleinen Mikroplastikpartikeln zeigen, dass sie mit hoher Wahrscheinlichkeit von den Seeorganismen aufgenommen würden. Studie 2 bewertet die verschiedenen Faktoren, die die Verweilzeit von Mikroplastikpartikeln steuern, wie z. B. Partikeldichte, -größe und -form sowie die Wassertemperatur mit Hilfe von numerischen Strömungsmechanik (CFD) Modellierung. Das Modell wurde anhand von experimentellen Ergebnisse von Studie 1 validiert. Das CFD-Modell zeigte, dass Partikelgröße und -dichte die wichtigsten Faktoren sind, die die Sinkgeschwindigkeiten der Partikel unter laminaren Bedingungen steuern. Eine Verdoppelung der Dichte eines Partikels führte zu einer Erhöhung der Absetzgeschwindigkeit um 480 bis 380 % für regelmäßige bzw. unregelmäßige Partikel. Eine Verdoppelung des Partikelvolumens führte zu einer Steigerung von 225 bzw. 95 4 % für regelmäßige und unregelmäßige Partikel. Andere Faktoren wie die Form der Partikel und die Wassertemperatur hatten einen geringeren Einfluss auf die Sinkgeschwindigkeit von Mikroplastik als die Dichte und Größe. Auch die Ergebnisse der Sinkgeschwindigkeit aus dem CFD-Modell lagen nahe an den im Labor gemessenen Geschwindigkeiten aus Studie 1. Das liegt daran, dass die Anfangs- und Randbedingungen des CFD-Modells entsprechend dem realen Laboraufbau definiert wurden. In Studie 3 wurde eine Reihe von Mesokosmen-Experimenten im See mit einer Random-Walk-Modellierung kombiniert, um die Prozesse, die den Mikroplastiktransport in der Wassersäule des Sees bestimmen, quantitativ zu analysieren. Die Experimente wurden über ein Jahr mit drei Größenbereichen von fluoreszierenden Mikrosphären (1-5, 28-48 und 53-63 μm) durchgeführt, wobei Temperaturschichtung im Sommer und Wasserzirkulation (Durchmischung) im Herbst innerhalb des Mesokosmos erfasst wurden. Die gemessene Verweilzeit der kleinsten Partikel während der Vollzirkulation der Wassersäule im Herbst war ~12 Mal kürzer als die im Sommer. Die Modellierungsergebnisse für die kleinsten Partikel während der Temperaturschichtung unter Verwendung des Stokes Modells waren ~10 Mal länger als die realen Verweilzeiten im Mesokosmos. Die modellierten Verweilzeiten unter Verwendung der im Labor und im Mesokosmos gemessenen Sinkgeschwindigkeiten waren jedoch mit den realen Verweilzeiten im Mesokosmos vergleichbar. Schließlich waren die modellierten Verweilzeiten für die kleinsten Partikel während der Vollzirkulation des Sees 113 Mal länger als die im Mesokosmos. Wir vermuten, dass diese Unstimmigkeiten von den Wechselwirkungen zwischen kleinen Mikroplastikpartikeln und vorhandenen Partikeln sowie von den komplexen hydrodynamischen und biologischen Bedingungen in der Wassersäule abhängig sind. Studie 4 verwendet Labor- und virtuelle Experimente, um die Verweilzeiten von Mikroplastik in einem rein physikalischen System zu quantifizieren, das durch Sinken und Durchmischen gesteuert wird, und vergleicht dies mit einem System, in dem Daphnien kleinen Mikroplastikpartikel in Fäzes verpacken. Die Simulationen basieren auf den Literaturdaten aus dem Bodensee (Deutschland) und dem Esthwaite Water (Vereinigtes Königreich) sowie aus unseren eigenen Laborexperimenten parametrisiert. Die Simulationen zeigten, dass bei Vernachlässigung des biologischen Weges die Verweilzeiten für die 0,5 und 5 μm großen Partikel (>15 Jahre) die Wasseraustauschzeit von beiden Seen überschritten haben. Nach der Zugabe von Daphnien ins System wurden die Verweilzeiten auf ~1 Jahr reduziert. Die großen 15 μm Partikel hatten im abiotischen System eine Verweilzeit zwischen 1 und 2,5 Jahren und <1,6 Jahre, nachdem die Daphnien hinzugefügt wurden. Diese Ergebnisse heben die 5 Wichtigkeit der Berücksichtigung der Seeökologie bei der Ermittlung der Verweilzeiten von Mikroplastik hervor. Die Ergebnisse der vier Studien zeigen, wie komplex der Transport von Mikroplastik in Seesystemen ist, da viele zusammenhängende physikalische, biologische und hydrodynamische Prozesse am Transportprozess in der Wassersäule des Sees beteiligt sind.