WaterWorks2015 - Impacts of MicroPlastics in AgroSystems and Stream Environments

Mikroplast (MP) er et alvorlig miljøproblem. Jordbruksarealer antas å være en viktig kilde til slik forurensning. Forurenset kloakkslam som brukes som gjødsel (sammen med andre kilder) kan være en viktig kilde til MP. Før dette prosjektet begynte var det lite informasjon tilgjengelig om forekomst, oppførsel og innvirkning av MP i jord. IMPASSE har derfor gått foran med banebrytende forskning for å løse disse kunnskapshullene. Prosjektet er et samarbeid med seks forskningsinstitutter NIVA (Norge, koordinator), IMDEA (Spania), SLU (Sverige), Universitetet i Amsterdam (Nederland), Universitetet i Windsor (Canada) og Universitetet i Ljubljana (Slovenia). Målet med studiet var å vurdere kilder av MP fra bruk av kloakkslam i representative jordbruksarealer, vurdere MP-akkumulering i jord, mulig utslipp til ferskvannsøkosystemer og dets innvirkning på jord- og ferskvannsorganismer. For å gjennomføre denne studien utviklet vi først en metode for å analysere MP i jord- og slamprøver. Dette er en veldig vanskelig oppgave. IMPASSE bidro vesentlig til å fremme kunnskapen på dette området gjennom å utvikle en validert metode for måling av MP ned til 50 mikron i størrelse. Metoden ble anvendt på flere hundre prøver gjennom hele prosjektet; en innsats som krevde over 3500 timer med laboratoriearbeid. Vi analyserte prøver fra to studieområder i Canada og Spania med svært forskjellige klima- og jordegenskaper. I begge tilfeller fant vi at kloakkslam brukt som gjødsel inneholdt store mengder MP (f.eks.> 10.000 MP per kilo tørrvekt). I begge studiene fant vi at jord der slam hadde vært brukt gjennom lengre tid, inneholdt mer MP enn nylig behandlet jord eller jord som aldri hadde blitt gjødslet med slam. Dette indikerer at slamanvendelse er en viktig kilde til MP til jord, og at jord kan holde igjen MP over flere år som fører til en gradvis økning i jordforurensning. MP kan i midlertidig også bli fjernet ved kraftig regn som også fører til jorderosjon. Gjennom studieperioden i Canada skjedde det flere intense regnhendelser. Vi observerte at disse forårsaket frigivelse av mye av MP-partiklene som nylig var akkumulert i jorda. Normale nedbørshendelser mobiliserte bare en liten brøkdel (dvs. <1%) av MP-partiklene som var til stede i jorda, men selv dette kan resultere i utslipp til ferskvann av titalls til hundretalls tonn med MP hvert år i Europa og Nord-Amerika. Plastikk som holdes igjen i jorda kan gjennomgå vertikal forflytning, og akkumuleres på ulik måte på ulike dyp i jordprofilen. Dette kan ha betydning for interaksjon med organismer som lever i ulike jordhabitater. Vi undersøkte elvesedimenter og vann i dreneringsfelt i jordbruksområder, og fant at de inneholder betydelige mengder MP. Polyetylenfragmenter og polyesterfibrer er vanligst, og dette samsvarer med innholdet observert i slam og jordprøver. Vi har gjennomført flere tester på organismer i ferskvann og jord, og fikk bekreftet at både terrestriske og akvatiske invertebrater tar inn MP. Ingen observerbare effekter på dødelighet ble påvist ved relevante konsentrasjoner for disse miljøene. I noen jordorganismer hadde tilstedeværelsen av MP en marginal effekt på organismens reproduksjon og utvikling av bioasse. I tillegg viste det seg at noen organismer kunne endre egenskapene til MP. Vi fant for eksempel at avføring fra meitemark inneholdt kortere polyestermikrofibrer enn de som ble tilsatt til maten under eksperimentene, noe som indikerer at disse organismene kan bryte fibre delvis opp under fordøyelsen og frigjøre mindre og muligens mer mobile MP fibre. Vi bruker dataene fra de studerte landbruksmiljøene for å lage en matematisk modell for oppførselen til mikroplast i jord- og ferskvannssystemer. Modellen er den første og eneste i sitt slag, og hadde evnen til å forutsi størrelsesorden for nivåer av MP i elvesedimenter, med realistiske klima- og hydrologiske forhold og tilgjengelig informasjon om input fra jordforhold. Modellen avslørte viktige kunnskapshull og forskningsbehov for å muliggjøre mer nøyaktige prediksjoner: (1) en bedret mekanistisk forståelse av de fysiske prosessene som styrer remobilisering fra jord av MP med ulik størrelse og form, og (2) behovet for et større og mer detaljert datasett for kalibrering og validering av modellen. Prosjektet har levert flere viktige vitenskapelige og populærvitenskapelige publikasjoner, hvor Noen av publikasjonene allerede er mye sitert. Flere artikler vil bli publisert basert som data innsamlet i prosjektet også etter at prosjektet er formelt avsluttet.

We contributed to include plastic pollution in soil into Norwegian, European and Canadian policy agenda. We have impacted the research agenda in Europe. The 2020 EU H2020 work programme included the first call for research on the topic. IMPASSE developed into a larger consortium of 20 European and Chinese institutes and successfully competed for this grant. This success places the Norwegian research institute sector in a central international position for influencing policy and innovation agenda in the agricultural sector. We have developed the first and unique mathematical model for mechanistic simulation of transport of microplastics in catchments. It is now employed in 2 capacity building projects funded by the ministry of foreign affair of Norway. We developed a new line of microplastic reference materials. This development already resulted in a successful business spinoff. Supplying consortia of research institutes and the California Environmental Protection Agency.

While it is widely known that microplastics (MPs) in the ocean are a serious environmental problem, the threat posed by MPs in agricultural lands is almost entirely unknown. As much as 90% of MPs produced in industrialized countries may end up in sewage sludge. A sizeable fraction of this sewage sludge is spread on agricultural lands. We estimate the MP input to agricultural lands in Europe to be between 50000 and 175000 tonnes/year. This is especially alarming given the high concentrations of toxic compounds and endocrine disrupting substances with no safe level commonly found in MP. Effectively, sewage sludge application may be causing persistent, pernicious and almost totally ignored contamination of agricultural land. In IMPASSE, we propose to develop and communicate the new understanding of MP behavior in agrosystems which is urgently needed to avoid the potential of serious and long lasting environmental contamination. The highly interdisciplinary project includes risk communication, stakeholder engagement, ecotoxicology, catchment modeling, development of decision support tools, monitoring and experimental work needed to understand and then minimize threats associated with MPs in agrosystems.