Fate of Microplastic Particles in Standing Waters and Lakes

Titelangaben

Ahmadi, Pouyan:
Fate of Microplastic Particles in Standing Waters and Lakes.
Bayreuth , 2024 . - II, 103 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Lake ecosystems are essential for aquatic life and freshwater resources, contributing to water quality, biodiversity, and human well-being. The emergence of microplastic (MP) pollution in these ecosystems necessitates studying the fate of MP particles in lakes. This research represents a significant step forward in revealing the complex fate of MP particles within lake ecosystems. It adopted a comprehensive approach, examining the impact of physical factors on MP particle fate from two different perspectives, MP particles themselves and the characteristics of the lake environment, using a combination of Computational Fluid Dynamics (CFD) and experiments. Work package 1 (studies 1 and 2) explored how inherent physical characteristics of MP particles affect their Terminal Settling Velocities (TSVs). The investigated factors encompassed MP particle density, volume, roundness, surface area to volume ratios (SA:V), surface hydrophobicity and also biofilm formation and water temperature. Work package 2 (study 3) focused on how the physical conditions within lakes influence MP particle transport. The investigated factors included lake depth (shallow and deep lakes), bathymetry (uniform and non-uniform), MP particle size (10, 20 and 50µm), wind conditions (constant and variable wind), as well as the location and timing of MP particle release. The investigations conducted in work package 1, study 1 and study 2, have shed light on critical factors influencing the TSV of MP particles within lake ecosystems. Foremost among the examined factors is particle density, which exerts a predominant influence. An increase in particle density amplifies the gravitational force acting on the particles, consequently elevating their TSV. Altering the volume of MP particles also impacts their TSV by increasing weight, albeit to a lesser degree, as it concurrently affects buoyancy and drag forces, exerting opposing effects. As a result, changes in particle volume exert a secondary, significant impact on TSV compared to the alterations in MP particle density. Furthermore, when comparing the influence of MP particle volume and SA:V variations on TSV, volume alterations prove to have a greater influence. Hydrophobicity and water temperature, although not as dominant as MP particle density, volume, and SA:V, are positioned below these factors in terms of their influence on TSV. Hydrophobic MP particles tend to accumulate air bubbles on their surfaces, boosting buoyant forces. This phenomenon is predominantly observed in biodegradable particles, although non-biodegradable particles also exhibit this effect, albeit less prominently. Alterations in water temperature during the time that lakes are thermally stratified, affect water density and kinematic viscosity, accelerating MP particle TSV in the upper water layers of a lake. Lastly, the formation of biofilms on MP particles, a common occurrence in lake ecosystems, exhibited the least significant impact on TSV values, with almost no difference in TSVs of MP particles before and after a prolonged incubation. Work package 2 (study 3) offers essential insights into the spatiotemporal distribution patterns of MP particles in lake ecosystems, uncovering the significance level of critical controlling physical factors. One of the principal findings of this study highlights the predominant influence of lake depth and particle size on the settling time of MP particles. A tenfold reduction in lake depth led to a substantial, sixteen-fold decrease in their settling times and highlights the critical role that travel distance plays in determining the fate of these particles. Furthermore, particle size, which influences settling velocity, emerged also as a primary controlling factor. 50µm MP particles displayed concentrated deposition patterns, which became more dispersed as the MP particle size decreased to 20 and 10µm. The most responsive reactions to changes in lake hydrodynamics and lake physical factors were observed for 10µm MP particles. Bathymetry, considered a second-order control factor, was found to significantly impact particle distribution patterns. Changing bathymetry from uniform to non-uniform facilitated faster settling of particles in shallow lake regions. Wind conditions, release location, and release time had relatively minor effects on MP particle behavior, but their significance increased as particle size decreased. Releasing 10µm MP particles in the deeper lakes with uniform bathymetry during summer thermal stratification led to a phase in the fall, lasting almost a month, during which both settling and rising of particles occurred concurrently. This phenomenon resulted from convective heat and water transport as the thermal stratification of the lake dissipated during this period. In these scenarios, approximately 2.6% to 5.5% of the initially released MP particles were either held in or returned to the lake water layers closer to the lake surface. Study 3 emphasizes that, besides lake depth and particle size being the most important factors controlling MP particle settling, it is ultimately the particular combination of different physical factors and their interactions that define the spatiotemporal distribution patterns of MP particles in a lake. The findings of this research highlight the complexity of MP transportation within lake ecosystems, with numerous interconnected physical, biological, and hydrodynamic processes influencing their fate in the lake's water column.

Abstract in weiterer Sprache

Seenökosysteme sind für das Leben im Wasser und die Süßwasserressourcen von wesentlicher Bedeutung und tragen zur Wasserqualität, zur biologischen Vielfalt und zum menschlichen Wohlergehen bei. Die zunehmende Verschmutzung durch Mikroplastik (MP) in diesen Ökosystemen macht es erforderlich, den Verbleib von MP-Partikeln in Seen zu untersuchen. Diese Forschungsarbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Erforschung des komplexen Verbleibs von MP-Partikeln (MPP) in Seeökosystemen dar. Es wurde ein umfassender Ansatz gewählt, bei dem die Auswirkungen physikalischer Faktoren auf den Verbleib von MPP aus zwei verschiedenen Perspektiven untersucht wurden: zum Einen die Merkmale der MPP selbst und zum Anderen die Merkmale der Seen, wobei eine Kombination aus numerischer Strömungsmechanik (CFD) und Experimenten verwendet wurde. Arbeitspaket 1 (Studien 1 und 2) untersuchte, wie inhärente physikalische Eigenschaften der MPP ihre Endabsetzgeschwindigkeit (Terminal Settling Velocity; TSV) beeinflussen. Diese Faktoren umfassten die Dichte, das Volumen, die Rundheit, das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen (Surface Area to Volume; SA:V), die Oberflächenhydrophobie sowie die Biofilmbildung und die Wassertemperatur. Arbeitspaket 2 (Studie 3) konzentrierte sich darauf, wie die physikalischen Bedingungen in Seen den Transport von MPP beeinflussen. Zu den untersuchten Faktoren gehörten die Seetiefe (flache und tiefe Seen), die Bathymetrie (gleichmäßig und ungleichmäßig), die Größe der MPP (10, 20 und 50 µm), die Windbedingungen (konstanter und variabler Wind) sowie der Ort und der Zeitpunkt der Freisetzung der MPP. Die in Arbeitspaket 1, Studie 1 und Studie 2, durchgeführten Untersuchungen haben Aufschluss über kritische Faktoren gegeben, die die TSV von MPP in Seeökosystemen beeinflussen. An erster Stelle der untersuchten Faktoren steht die Partikeldichte, die den größten Einfluss ausübt. Eine Erhöhung der Partikeldichte verstärkt die auf die Partikel wirkende Gravitationskraft und erhöht somit deren TSV. Eine Änderung des Volumens der MPP wirkt sich ebenfalls auf die TSV aus, wenn auch in geringerem Maße, da sie sich gleichzeitig auf die Auftriebs- und die Widerstandskraft auswirkt und somit entgegengesetzte Effekte hervorruft. Infolgedessen wirken sich Änderungen des Partikelvolumens im Vergleich zu Änderungen der MPP-Dichte nur sekundär auf die TSV aus. Beim Vergleich des Einflusses des Volumens der MPP und der SA:V-Variationen auf die TSV erweisen sich die Volumenänderungen zudem als einflussreicher. Hydrophobie und Wassertemperatur sind zwar nicht so dominant wie MPP-Dichte, -Volumen und SA:V, und liegen damit hinsichtlich ihres Einflusses auf die TSV unterhalb dieser Faktoren. Hydrophobe MPP neigen dazu, Luftblasen auf ihrer Oberfläche anzusammeln, wodurch die Auftriebskräfte verstärkt werden. Dieses Phänomen ist vor allem bei biologisch abbaubaren Partikeln zu beobachten, wobei auch nicht biologisch abbaubare Partikel diesen Effekt aufweisen, wenn auch weniger ausgeprägt. Änderungen der Wassertemperatur während der Zeit, in der Seen thermisch geschichtet sind, wirken sich auf die Wasserdichte und die kinematische Viskosität aus und beschleunigen den TSV von MPP in den oberen Wasserschichten eines Sees. Die Bildung von Biofilmen auf MP-Partikeln, die in Seenökosystemen häufig vorkommt, hatte in unseren Untersuchungen die geringsten Auswirkungen auf die TSV, da die ermittelten TSV vor und nach einer Inkubation sich nicht wesentlich unterschieden. Arbeitspaket 2 (Studie 3) bietet wesentliche Einblicke in die raum-zeitlichen Verteilungsmuster von MPP in Seenökosystemen und deckt die Bedeutung kritischer physikalischer Einflussfaktoren auf. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Studie zeigt den vorherrschenden Einfluss der Seetiefe und der Partikelgröße auf die Absetzzeit von MPP. Eine zehnfache Verringerung der Seetiefe führte zu einer beachtlichen Verringerung der Absetzzeiten um das Sechzehnfache und verdeutlicht die entscheidende Rolle, die die Transportdistanz bei der Bestimmung des Verbleibs dieser Partikel spielt. Darüber hinaus erwies sich auch die Partikelgröße, die die Absetzgeschwindigkeit beeinflusst, als ein wichtiger Kontrollfaktor. 50-µm-MPP zeigten konzentrierte Ablagerungsmuster, die sich ausdehnten, wenn die MPP-Größe auf 20 und 10µm sank. Am stärksten reagierten die 10-µm-MPP auf Veränderungen der Hydrodynamik und der physikalischen Faktoren des Sees. Es wurde festgestellt, dass die Bathymetrie, die als Kontrollfaktor zweiter Ordnung angesehen wird, die Partikelverteilungsmuster erheblich beeinflusst. Eine Änderung der Bathymetrie von gleichförmig zu ungleichförmig beförderte ein schnelleres Absetzen von Partikeln in flachen Bereichen des Sees. Die Windverhältnisse, der Ort der Freisetzung und die Freisetzungszeit hatten relativ geringe Auswirkungen auf das Verhalten der MPP, aber ihre Bedeutung nahm mit abnehmender Partikelgröße zu. Die Freisetzung von 10-µm-MPP in den tieferen Seen mit gleichförmiger Bathymetrie während der sommerlichen thermischen Schichtung führte im Herbst zu einer fast einen Monat andauernden Phase, in der sowohl das Absetzen als auch das Aufsteigen der Partikel gleichzeitig stattfand. Dieses Phänomen ist auf konvektiven Wärme- und Wassertransport zurückzuführen, da sich die thermische Schichtung des Sees in diesem Zeitraum auflöste. In diesen Szenarien wurden etwa 2,6 % bis 5,4 % der ursprünglich freigesetzten MPP entweder in den oberflächennahen Wasserschichten des Sees gehalten oder kehrten dorthin zurück. Studie 3 unterstreicht, dass nicht nur die Seetiefe und die Partikelgröße wichtige Faktoren für die Ablagerung von MPP sind, sondern dass es letztlich die spezifische Kombination verschiedener Faktoren und ihre Wechselwirkungen sind, die die räumlich-zeitlichen Verteilungsmuster von MPP in einem See bestimmen. Die Ergebnisse dieser Forschung verdeutlichen die Komplexität des Transports von MP in Seeökosystemen, wobei zahlreiche miteinander verbundene physikalische, biologische und hydrodynamische Prozesse den Verbleib dieser Stoffe in der Wassersäule des Sees beeinflussen.