Studying the effects of marine plastics on coastal ecosystems in the Balearic Sea

Abstract

[eng] Due to their persistence, pervasiveness, and global abundance, microplastics are emerging as structural elements of global oceans. Like other structural elements, microplastics flow between biotic and abiotic reservoirs through multiple pathways, modifying and being modified by the environment. The potential strength and effects of this alteration on ecosystem functioning and global Earth processes are raising concerns and highlighting the urgency of better characterizing the different reservoirs and pathways connecting them within the plastic cycle. This thesis aims to deepen the understanding of the spatial distribution, composition, and ecological interactions of microplastics in marine coastal ecosystems of the North western Mediterranean Sea, focusing on the Balearic Islands as a representative hotspot of plastic pollution. Integrating field sampling, laboratory analysis, and qualitative and quantitative systematic reviews, this work contributes to quantifying and characterizing microplastic stocks across marine compartments and gradients of anthropogenic pressures, while investigating the potential of copepods to act as local and global temporary microplastic reservoirs, shaping microplastic distribution patterns in the marine environment. Spatial distribution patterns of neustonic microplastics under increasing anthropogenic pressures were assessed in the North Western Mediterranean Sea, and their vertical distribution was subsequently analyzed from the sea surface to the sediments, including the water column and the hyperbenthic layer. Moving along with the vertical gradient microplastics ingestion was evaluated in a wide range of fish and invertebrate’s species inhabiting different depths. The study encompasses the investigation of plastic pollution in critical environments, such as the hyperbenthic layer hosting Posidonia oceanica seagrass meadows, and the sea surface microlayer at the interface between the ocean and the atmosphere. Results confirm the Balearic Islands as a hotspot for plastic pollution, characterized by high abundances of neustonic microplastics regardless of proximity to contamination sources or protection status, and hosting marine litter windrows where less diverse zooplanktonic communities are observed. Microplastic abundances increase along vertical gradients, with sediments hosting two orders of magnitude of microplastic abundances than surface waters. Fibers are the most represented fraction across the water column, in marine sediments, and ingested by marine species. The extensive polymer characterization performed in this thesis highlights the strong dominance of cellulosic polymers in the fiber fraction, marking a clear difference between the microplastic inventories found in biota and below the sea surface, compared to those floating at the sea surface, mainly composed of polyethylene and polypropylene. When primarily focusing on micro- and meso-scale assessments at high spatial resolution, this thesis transitions from a local to a global perspective to evaluate interactions between microplastics and copepods within the plastic cycle. Despite the low microplastic ingestion values observed in the hyponeustonic copepod P. mediterranea, with a mean of 0.11 ± 0.05 MPs/ind., this species retains a mean of 45 ± 65 MPs/m3, emerging as an extended reservoir of microplastics within the sea surface microlayer. Systematic reviews and meta-analyses confirm copepods as extensive temporary reservoirs of microplastics in global oceans, owing to their abundance, and key candidates for shaping the distribution and fate of microplastics. This thesis contributes to establishing a methodological framework for studying the interactions between microplastics and copepods, emphasizing the importance of considering the abundance of studied taxa and evaluating microplastic retention as a key parameter to assess the ecological implications of these interactions. Overall, this thesis highlights the importance of implementing comprehensive approaches to assess ecosystem health in relation to plastic pollution, including the fiber fraction in major assessments and regulatory frameworks. It also emphasizes the potential key role of copepods in shaping the distribution of plastics and the need to further explore the significance of this interaction in the main pathways through which microplastics could influence global-scale processes.

[spa] Debido a su persistencia, ubicuidad y abundancia global, los microplásticos se han convertido en elementos estructurales de los océanos. Al igual que otros elementos estructurales, los microplásticos fluyen entre reservorios bióticos y abióticos a través de múltiples vías, interactuando y transformándose mutuamente con el entorno. Los impactos de estas interacciones sobre el funcionamiento de los ecosistemas marinos generan preocupación, subrayando la importancia de caracterizar los reservorios y las conexiones que forman parte del ciclo del plástico. El objetivo de esta tesis es profundizar en la comprensión de la distribución espacial, la composición y las interacciones ecológicas de los microplásticos en ecosistemas costeros del noroeste del mar Mediterráneo, en particular en las Islas Baleares, un hotspot de contaminación por plásticos. A través de muestreos de campo, análisis de laboratorio y revisiones sistemáticas cualitativas y cuantitativas, este trabajo contribuye a la cuantificación y caracterización de los microplásticos en diferentes compartimentos marinos y gradientes de presión antropogénica, además de evaluar el papel de los copépodos como reservorios temporales de microplásticos. Se evaluaron los patrones de distribución espacial de los microplásticos neustónicos en el noroeste del Mediterráneo bajo crecientes presiones antropogénicas, y se analizó su distribución vertical desde la superficie hasta los sedimentos. A lo largo de este gradiente vertical, se estudió la ingesta de microplásticos en diversas especies de peces e invertebrados. Este trabajo incluye la investigación de la contaminación plástica en ecosistemas críticos, como la capa hiperbéntica, que alberga praderas marinas de Posidonia oceanica, y la microcapa superficial marina (SML), situada en la interfaz entre el océano y la atmósfera. Los resultados confirman que las Islas Baleares son un hotspot de contaminación por plásticos, con altas abundancias de microplásticos neustónicos independientemente de la proximidad a fuentes de contaminación. Estas zonas albergan acumulaciones temporales de residuos marinos donde se observan comunidades zooplanctónicas menos diversas. A lo largo del gradiente vertical, las abundancias de microplásticos aumentan, con concentraciones en los sedimentos dos órdenes de magnitud más elevadas que en las aguas superficiales. Las fibras representan la fracción predominante en toda la columna de agua, en los sedimentos y en las especies marinas que las ingieren. La caracterización polimérica indica el predominio de polímeros celulósicos en la fracción de fibras, diferenciándolas de los microplásticos flotantes, compuestos principalmente de polietileno y polipropileno. Esta tesis transita desde evaluaciones a micro y meso escala con alta resolución espacial al análisis de las interacciones entre microplásticos y copépodos en los océanos globales. A pesar de los bajos valores de ingestión observados en el copépodo hiponeustónico Pontella mediterranea (0,11 ± 0,05 MPs/ind.), esta especie retiene una media de 45 ± 65 MPs/m³, posicionándose como un importante reservorio de microplásticos en el SML. Las revisiones sistemáticas y los meta-análisis confirman que los copépodos actúan como reservorios significativos de microplásticos en los océanos globales, debido a su abundancia. Este trabajo contribuye a establecer un marco metodológico para analizar las interacciones entre microplásticos y copépodos, destacando la importancia de considerar la abundancia de los taxones estudiados y evaluar la retención de microplásticos como parámetro clave para entender sus implicaciones ecológicas. En conclusión, esta tesis resalta la importancia de implementar enfoques integrados para evaluar la salud de los ecosistemas frente a la contaminación por plásticos, incluyendo la fracción de fibras en las principales evaluaciones y marcos regulatorios. También subraya el papel crucial de los copépodos en la distribución de los microplásticos y la necesidad de profundizar en el estudio de estas interacciones y su influencia en los procesos globales.

[cat] A causa de la seva persistència, omnipresència i abundància global, els microplàstics s'han convertit en elements estructurals dels oceans. Igual que altres elements estructurals, els microplàstics flueixen entre reservoris biòtics i abiòtics a través de múltiples vies, interactuant i transformant-se mútuament amb l'entorn. Els impactes d'aquestes interaccions sobre el funcionament dels ecosistemes marins generen preocupació, subratllant la importància de caracteritzar els reservoris i les connexions que formen part del cicle del plàstic. L'objectiu d'aquesta tesi és aprofundir en la comprensió de la distribució espacial, la composició i les interaccions ecològiques dels microplàstics en ecosistemes costaners del nord-oest del Mediterrani, especialment a les Illes Balears, un hotspot de contaminació per plàstics. Mitjançant mostrejos de camp, anàlisis de laboratori i revisions sistemàtiques qualitatives i quantitatives, aquest treball contribueix a la quantificació i caracterització dels microplàstics en diferents compartiments marins i gradients de pressió antropogènica, a més d'avaluar el paper dels copèpodes com a reservoris temporals de microplàstics. Es van avaluar els patrons de distribució espacial dels microplàstics neustònics al nord-oest del Mediterrani sota creixents pressions antropogèniques, i es va analitzar la seva distribució vertical des de la superfície fins als sediments. Al llarg d'aquest gradient vertical, es va estudiar la ingestió de microplàstics en diverses espècies de peixos i invertebrats. Aquest treball també inclou la investigació de la contaminació per plàstics en entorns crítics, com ara la capa hiperbèntica, que alberga les praderies marines de Posidonia oceanica, i la microcapa superficial marina (SML), situada a la interfície entre l'oceà i l'atmosfera. Els resultats confirmen que les Illes Balears són un hotspot de contaminació per plàstics, amb altes abundàncies de microplàstics neustònics, independentment de la proximitat a fonts de contaminació. Aquestes zones alberguen acumulacions temporals de residus marins on s'observen comunitats zooplanctòniques menys diverses. Al llarg del gradient vertical, les abundàncies de microplàstics augmenten, amb concentracions als sediments que superen en dos ordres de magnitud les de les aigües superficials. Les fibres representen la fracció predominant en tota la columna d'aigua, en els sediments i en les espècies marines que les ingereixen. La caracterització polimèrica indica el predomini de polímers cel·lulòsics en la fracció de fibres, diferenciant-les dels microplàstics flotants, formats principalment per polietilè i polipropilè. Aquesta tesi transita des d'avaluacions a micro i meso escala amb alta resolució espacial fins a l'anàlisi de les interaccions entre microplàstics i copèpodes als oceans globals. Malgrat els baixos valors d'ingestió observats en el copèpode hiponeustònic Pontella mediterranea (0,11 ± 0,05 MPs/ind.), aquesta espècie reté una mitjana de 45 ± 65 MPs/m³, posicionant-se com un reservori important de microplàstics a la SML. Les revisions sistemàtiques i els metaanàlisis confirmen que els copèpodes actuen com a reservoris significatius de microplàstics als oceans globals gràcies a la seva abundància. Aquest treball contribueix a establir un marc metodològic per analitzar les interaccions entre microplàstics i copèpodes, subratllant la importància de considerar l'abundància dels tàxons estudiats i d'avaluar la retenció de microplàstics com a paràmetre clau per entendre'n les implicacions ecològiques. En conclusió, aquesta tesi destaca la importància d'implementar enfocaments integrats per avaluar la salut dels ecosistemes davant la contaminació per plàstics, incloent-hi la fracció de fibres en les principals avaluacions i marcs normatius. També subratlla el paper crucial dels copèpodes en la distribució dels microplàstics i la necessitat d'aprofundir en l'estudi d'aquestes interaccions i la seva influència en els processos global.