Advances in Methods and New Insights into the Mechanisms of Microplastic Transport and Retention in Rivers, Streams and Lakes

Titelangaben

Boos, Jan-Pascal:
Advances in Methods and New Insights into the Mechanisms of Microplastic Transport and Retention in Rivers, Streams and Lakes.
Bayreuth , 2024 . - IV, 188 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

The ubiquity of microplastics (MPs) in the environment has raised global concerns due to their potential adverse effects on organisms. MPs can be transported over long distances and have been detected in remote environments. However, the processes governing the transport of MPs through the environment remain largely unknown, mainly due to their unique combination of size, shape, density and surface properties. This dissertation aims to investigate the mechanisms involved in the transport and retention of MPs in rivers, streams and lakes, focusing on physical processes and biotic interactions. Study 1 introduced innovative quantitative methods for the spatio-temporal investigation of the transport and retention dynamics of small MPs (1-10 µm) in a laboratory flume, where a rippled streambed induced small-scale hyporheic exchange. MPs were monitored in the surface water with two fluorometers, allowing a continuous mass balance. Migration through the streambed was monitored with a laser-induced Fluorescence-Imaging-System. Detection limits below 3 µg/L for 1 µm polystyrene beads allowed for accurate tracking of MPs. Results showed advective transfer of MPs between the surface water and the streambed. MPs infiltrated up to 10 cm below the ripple crest. These direct experimental observations indicate that hyporheic exchange plays a crucial role in controlling the fate of MPs in fluvial environments. In study 2, the quantification technique introduced in study 1 was used to systematically analyze the effects of MPs size, sediment type and flow conditions on the dynamics of particle transport and retention in a rippled streambed. As particle size increased (1, 3 and 10 µm), the maximum infiltration depth into the coarse streambed decreased (11, 10 and 7 cm), with 10 µm particles being partially retained. In the fine sand experiment, MPs experienced significant retardation in the streambed and exhibited slow release to the surface water, with 22 % not being recovered at the outflow location. Conversely, the high-flow experiment demonstrated efficient flushing of MPs from the streambed, resulting in the shortest residence times. Study 3 presented a hybrid approach to modeling the transport of MPs. A computational fluid dynamics model was developed with openFOAM and calibrated with experiments such as in study 2. The integrated model solved the flow in the surface water and the hyporheic zone and reproduced the transport of MPs following advection and dispersion. The model accurately represented the transport of 1 µm particles but did not capture the delayed transport of 10 µm MPs through the streambed. The larger MPs were affected by retardation processes that increased with flow path length, suggesting interactions in the streambed. Study 4 investigated the vertical transport of microplastics in lakes by combining field measurements, laboratory experiments and a 1D random walk model. Four experiments were conducted to investigate the effect of MPs size (1-5, 28-48 and 53-63 µm) and hydrodynamic conditions (thermal stratification and lake turnover). The model accurately predicted residence times for larger particles but overestimated them by a factor of 10 for the smallest MPs. Residence times of small MPs were 12 times shorter during lake turnover than during thermal stratification, but no resuspension was observed. These results suggest that additional mechanisms, such as aggregation or biotic interactions, are crucial factors controlling the transport of small MPs in lakes. In study 5, the effect of biotic interactions on MPs transport in lakes was investigated using laboratory experiments and numerical models. A physical model, influenced by particle settling and mixing, was compared to a biological model that additionally included the interaction with a filter feeder (Daphnia). Following uptake, particles were egested and embedded in faecal pellets, significantly increasing particle settling velocity by 3 to 5 orders of magnitude. As a result, the residence time of small MPs (< 5 µm) in the lake decreased from 15 years in the abiotic model to 1 year in the biotic model. This allowed for particle sedimentation considering a lake flushing time of 4 years. The transport of larger MPs (15 µm) was similarly influenced by both biological and physical processes. Study 6 investigated the effects of MPs exposure on an aquatic filter feeder (Dreissena bugensis). Fragments of different polymers within a comparable size range (20 – 120 µm) were characterized in-depth to analyze the polymer-specific impact on the organism. The exposure conditions were comparable as confirmed by flow velocity measurements. Interestingly, mussels did not cease filtration when exposed to MPs. Ingested MPs caused polymer-dependent adverse effects, as indicated by changes in biochemical markers. The strongest negative effects were observed for recycled PET, which was attributed to its chemical composition, including additives and residual monomers. The integration of laboratory experiments, field measurements and numerical modeling has highlighted the complex processes involved in the dynamics of MPs transport and retention. The results indicate the influence of physical, physicochemical and biological mechanisms on the fate of MPs, which exhibit high mobility in rivers, streams and lakes.

Abstract in weiterer Sprache

Die Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt hat weltweit Besorgnis über seine potenziell schädlichen Einflüsse auf Organismen ausgelöst. MP kann über große Entfernungen transportiert werden und wurde selbst in entlegenen Gebieten detektiert. Wie der Transport von Mikroplastik durch die Umwelt gesteuert wird, ist aufgrund der einzigartigen Kombination von Größe, Form, Dichte und Oberflächeneigenschaften weitgehend unbekannt. Diese Dissertation untersucht die Mechanismen, die den Transport und Rückhalt von MP in Flüssen, Bächen und Seen kontrollieren, mit Fokus auf physikalischen Prozessen und biotischen Interaktionen. In Studie 1 werden innovative quantitative Methoden zur Untersuchung der räumlich-zeitlichen Transport- und Retentionsdynamik von kleinem MP (1-10 µm) in einer Laborrinne vorgestellt, in der ein geriffeltes Flussbett einen kleinräumigen hyporheischen Austausch erzeugt. MP wurde im Oberflächenwasser mithilfe zweier Fluorometer überwacht, die eine kontinuierliche Massenbilanz ermöglichten. Die Migration durch das Flussbett wurde mit einem laserinduziertem Fluoreszenz-Imaging-System untersucht. Nachweisgrenzen unter 3 µg/L für 1 µm große Polystyrolkugeln erlaubten eine genaue Verfolgung von MP. Es zeigte sich ein advektiver Transfer von MP zwischen dem Oberflächenwasser und dem Flussbett, mit einer maximalen Infiltrationstiefe von 10 cm unter dem Riffelkamm. Diese direkte Beobachtung unterstützt die Hypothese, dass der hyporheische Austausch den Verbleib von MP in Fließgewässern steuert. In Studie 2 wurde die in Studie 1 eingeführte Quantifizierungsmethode zur systematischen Untersuchung des Einflusses von Partikelgröße, Sedimenttyp und Strömungsbedingungen auf den Transport und die Retentionsdynamik von MP in einem geriffelten Flussbett verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender MP-Größe (1, 3 und 10 µm) die maximale Eindringtiefe im groben Flussbett abnahm (11, 10 und 7 cm), wobei 10 µm MP teilweise zurückgehalten wurde. Im Feinsandexperiment wurde MP im Flussbett stark verzögert und nur langsam an das Oberflächenwasser abgegeben. Hierbei wurden 22 % des MP am unteren Auslass des Gerinnes nicht wiedergefunden. Im Gegensatz dazu zeigte das Experiment mit höherem Abfluss eine effiziente Ausspülung von MP aus dem Flussbett, was zu den kürzesten Verweilzeiten führte. In Studie 3 wurde ein hybrider Ansatz zur Modellierung des Mikroplastiktransports vorgestellt. Das neu entwickelte numerische Strömungsmodell in openFOAM wurde mit Experimenten wie in Studie 2 kalibriert. Das integrierte Modell erfasste die Strömung sowohl im Oberflächenwasser als auch in der hyporheischen Zone und stellt den Transport von MP durch Advektion und Dispersion dar. Das Modell bildete den Transport von 1 µm großem MP genau ab, konnte aber den verzögerten Transport von 10 µm großem MP nicht erfassen. Darüber hinaus nahm die Verzögerung im Flussbett mit zunehmender Fließweglänge zu, was auf die Bedeutung von Partikelwechselwirkungen hinwies. Studie 4 untersuchte das vertikale Transportverhalten von Mikroplastik in Seen durch Feldmessungen, Laborexperimente und einem 1D Random-Walk-Modell. Vier Experimente wurden durchgeführt, um den Einfluss der MP-Größe (1-5, 28-48 und 53-63 µm) und der hydrodynamischen Bedingungen (thermische Schichtung und Durchmischung) zu untersuchen. Die Verweilzeiten von größerem MP wurden vom Modell gut vorausgesagt, aber für das kleinste MP um das Zehnfache überschätzt. Im Vergleich zur thermischen Schichtung war die Verweilzeit von kleinem MP während der Durchmischung des Sees 12-mal kürzer, wobei keine Resuspension beobachtet wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass zusätzliche Mechanismen wie Aggregationen oder biologische Interaktionen den Transport von kleinem MP in Seen steuern. Studie 5 untersuchte den Einfluss biotischer Interaktionen auf den MP-Transport in Seen durch Laborexperimente und numerische Modelle. Zwei Systeme wurden verglichen: Ein physikalisches Modell, das das Absinken von MP und Durchmischung erfasst, und ein biologisches Modell, das zusätzlich die Interaktion mit einem Filtrierer (Daphnia) berücksichtigt. Das nach der Aufnahme wiederausgeschiedene MP war in Fäkalpellets eingebettet, was die Sinkgeschwindigkeit um 3 bis 5 Größenordnungen erhöhte. Die Verweilzeit von kleinem MP (< 5 µm) im See sank von 15 Jahren im abiotischen Modell auf 1 Jahr im biotischen Modell, was bei einer Wasseraustauschzeit von 4 Jahren zur Sedimentation führte. Der Transport von größerem MP (15 µm) wurde in ähnlichem Ausmaß durch biologische und physikalische Prozesse beeinflusst. Studie 6 untersuchte die Effekte einer MP-Exposition auf einen aquatischen Filtrierer (Dreissena bugensis). Fragmente verschiedener Polymere ähnlicher Größe (20 – 120 µm) wurden eingehend charakterisiert, um spezifische Effekte auf den Organismus zu untersuchen. Die Exposition war vergleichbar, was durch Messungen der Fließgeschwindigkeit bestätigt wurde. Interessanterweise änderten die Muscheln ihr Filtrationsverhalten trotz Exposition nicht. MP-Aufnahme verursachte polymerabhängige negative Effekte, wie Veränderungen biochemischer Marker belegten. Stärkste negative Effekte traten bei rezykliertem PET auf, was auf die chemische Zusammensetzung, insbesondere Additive und Restmonomere, zurückgeführt wurde. Laborexperimente, Feldmessungen und numerische Modelle haben die komplexen Prozesse untersucht, die am Transport und der Retention von MP beteiligt sind. Die Ergebnisse verdeutlichen den Einfluss physikalischer, physikalisch-chemischer und biologischer Mechanismen auf den Verbleib von MP, das eine hohe Mobilität in Flüssen, Bächen und Seen aufweist.