Fluxes and Fate of Microplastics in Northern European Waters

Fluxes and Fate of Microplastics in Northern European Waters (FACTS) vil gi ny kunnskap og forbedre vår forståelse for hvor mikroplast i nordeuropeiske farvann kommer fra, hvilke ruter den transporteres langs og hvor den ender opp. De viktigste prosesser som påvirker transport av mikroplast gjennom vann og luft skal undersøkes og tallfestes. Dette inkluderer blant annet hvordan mikroplast kan bli tatt opp av organismer i den marine næringskjeden og hvordan ekskresjon og sammenklumping med alger og organismer kan påvirke synkehastighet for mikroplast. Dette vil studeres i stor skala i åpent hav og i mindre skala i det mer kjente fjordsystemet rundt Bergen. FACTS inkluderer prøvetakingstokt mellom Tyskland og Svalbard, der prøver ble samlet inn fra forskningsskip, fiskeri-fartøy og mindre båter. Første tokt har funnet sted 5. Juni – 8. Juli 2021 fra Bremerhaven til vest for Bjørnøya, og vann og marine snø prøver er tatt. I 2022 deltok HI i Bergenfjord-toktet fra 30. Mai til 5. Juni, der det ble tatt prøver fra ti stasjoner. Stasjonsvalg var basert på oseanografisk modellering og dekket kyststrømmen (Øygarden), Bergen fjordsystemet og Veafjorden ved Osterøy. Samlet materiale var overflatevann (med forskjellige filterporestørrelser 1 µm, 10 µm og 300 µm) forskjellige dybder i vannsøylen (filterporestørrelse 10 µm), sediment. Tilsammen 285 fisk (brosme og torsk) ble fanget. Fiskene ble fanget fra ti stasjoner fra Sør for Svalbard, vest for Tromsøyflaket, Lofoten, Vestfjorden, Stadhavet, vest fra Shetland, sør for Fedje, Byfjorden ved Askøybroen, ved Lindesnes og ved Gøteborg av referanseflåten (kommersielle fiskere som samarbeider med Havforskningsinstituttet (HI), HI tokt og svensk IBTS tokt, en privat fisker og på prosjekttoktet i Bergensfjorden. Fisken er analysert for mikroplast fra 10 µm i Havforskningsinstituttets mikroplastlaboratorium. Fisk fra utvalgte stasjoner ble analysert for tilsettingsstoffer, mikroplast >1 µm og dekkslitasje partikler. Fisken innehold plast i størrelsesorden som spiller mest under 1 partikkel per g lever eller filet. Dataanalyse foregår og resultater vil bli rapportert i 2024. For vann og sediment ble målt dybden av hovedforekomsten av mikroplast, der Skagerrak var antatt å være området med mest forekomst. Analysene pågår og vil bli rapportert i løpet av 2024. Målte konsentrasjoner av mikroplast vil bli sammenlignet med beregnede fordelinger av mikroplast basert på oseanografisk modellering. Samtidig vil modellene bruke observerte fordelinger for å beregne videre spredning. Modellene vil beregne tidsforløpet for forurensning og transport. Arbeidet i 2022 har gått med på å støtte arbeidspakke-leder (WP1) i Tyskland (Gunnar Gerdts et al., AWI) med partikkelspredningssanalyse. Her bruker vi HI sin partikkelspredningsalgoritme LADIM samt storskala havmodellarkiv SVIM (4 km oppløsning over Norskehavet/Nordsjøen/Barentshavet) som utgangspunkt, simulerer spredning av plastpartikler fra lokaliteter som ble samplet i forbindelse med tokt juni-juli 2021. Simuleringene ble kjørt 20 dager fremover i tid (for å avdekke potensiell videre spredning nordover) og 20 dager bakover i tid (for å avdekke hvor partiklene kommer fra). Preliminære resultater indikerer en storskala nordlig transport fra alle transektene, i tråd med gjeldende forståelse av den Norske Atlanterhavsstrømmen og den Norske Kyststrømmen. Planen videre (2023) er å støtte miljøet på AWI frem mot en publikasjon som kobler observerte konsentrasjoner av mikroplast langs Norskekysten med modellresultater. I tillegg vil Havforskningsinstituttet støtte lederen av FACTS (Jes Vollertsen, Danmark) I å oppsummere ny kunnskap og å formidle dette til Europeiske beslutningstagere og andre interesserte.

Large scale modelling and sampling: supporting our main collaborators at AWI we have gained an overview of microplastic concentrations in Norwegian main water masses. IMR was instrumental to designing the overall sampling strategy and to model the northwards trajectories of the sampled water masses using our established ocean model archives and particle trajectory software. Impacts include increased understanding of flow of microplastic from northern Europe to the Arctic. Better understanding of sources, transport and fate of microplastics in the fjord Byfjorden in the Bergen area are gained based on oceanographic models and knowledge on sources like run off from roads and bridges and discharges from sewage treatments plants. Fish samples analyses detected and measured microplastic >10 µm in fillet and liver from 10 different stations in two species with µFTIR. Amounts larger than in controls were found, showing that microplastic can be taken up into fillet and liver. Levels were generally low, usually in the order of 1 particle/g. Data on occurrence in fillet and liver is hard to compare due to methodological differences, but work from others with similar methods also resulted in detection of amounts in the same order of magnitude. There are limitations to the methods used. Some polymer types are more prone to loss than others. Measurement uncertainties for microplastic particles below 50 µm are not well established yet. Therefore, it is possible that the numbers in that size category are underestimated, generally in all studies, including ours. Some stations were also analyzed for tyre wear, for smaller microplastic >1 µm and additives. The numbers of smaller microplastics were much higher than those for larger ones, however more robust data is needed to conclude this with high certainty. Additive analysis showed a rough trend similar to what was found in numbers of plastic particles, but also here, the data is too scarce for robust conclusions. This data emphasizes the necessity to continue improving methods to enable a risk assessment. The increasing evidence of presence of microplastic particles not only in sediment and water, and in the intestinal tract of animals, but also in tissues, combined with effect studies showing adverse effects and synergy with additives and other contaminants such as pesticides (Varshney et al. 2023) which increase adverse effects, clearly advocates for investigations and management. Analysis of the data in context to the data of the project partners in water and sediment might show some trends connecting microplastics and additives occurrence in ocean currents and sources. Results will be published in peer-reviewed journals.

FACTS will create new knowledge and improve our mechanistic understanding of the sources, transport, occurrence, and fate of small microplastics in the northern marine waters. FACTS will combine state-of-the-art analytical, monitoring and modelling approaches in feedback cycles to describe the transport and geographical sources of microplastics contamination as well as sinks from the temperate waters of the southern North Sea to the Arctic waters of the Barents Sea. It analyses the distribution of MP in the water column and quantifies Skagerrak as a major sink zone. Investigated transport processes range from drift scenarios to air transport to aggregation and sinking processes. FACTS also zooms in on the geographic scale to study microplastic transport and fate in a semi-enclosed fjord system. The goal is to address the question of how MP move vertically in the water column with time under comparatively well-defined hydrodynamic conditions. FACTS is structured around a set of sampling campaigns reaching from the German Bight to Svalbard, where samples are collected from large research vessels, smaller research vessels, fishery vessels and land-based boats. Plastic particle concentrations, obtained from the proposed sampling campaigns are implemented into oceanographic models. The modelling approach is used to integrate release and transport scenarios, and the likelihood and timescale for particle pathways are estimated based on sinking, defragmentation, and beaching rates, obtained from observations. FACTS will be enhanced by tackling the current challenges of nanoplastics and tyre wear particle detection in marine samples. Both particle types are currently not accessible for mass balances of marine plastics contamination. Finally, FACTS synthesises the knowledge gained and disseminates it to a wide range of stakeholders, ranging from other scientists to European decision-makers.