Plastic pollution in marine ecosystems: spatiotemporal assessment in beach sediments of protected coastal areas

Abstract

(English) Plastic pollution has emerged as a critical threat to marine ecosystems, particularly in ecologically sensitive and protected coastal areas. This doctoral thesis presents a spatiotemporal assessment of plastic particle debris, including microplastics, in beach sediments from marine protected areas (MPAs) on the Caribbean coast of La Guajira, Colombia, and marine Special Areas of Conservation (SACs) in Tenerife, Canary Islands, Spain. Fieldwork involved systematic sampling across 13 beaches (seven in La Guajira and six in Tenerife), representing a variety of environmental conditions. The study in La Guajira, the first of its kind in the region, revealed microplastic abundance ranging from 2.4 ± 0.6 to 22 ± 7 microplastics/m2, with concentrations varying statistically by beach use but not significantly between the two sampling periods. Filaments, primarily from fishing activities, were the most prevalent type (38.5%). In Tenerife´s marine SACs, a comprehensive 12-week assessment of macro-, meso-, and microplastics uncovered significant spatial and temporal variability. Playa de Montaña Roja emerged as a notable pollution hotspot, with 64 ± 36 mesoplastics/m2 and 506 ± 364 microplastics/m2. Fragments dominated the samples (80%), especially white and light-colored, indicating their likely origin as secondary particles from consumer products. In both scenarios, the most common polymers detected were polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene, due to their buoyancy in marine environments, which also reflects global trends in production. Further analysis of heavy metal presence in microplastics from Tenerife´s SACs, using microwave-assisted acid digestion and inductively coupled plasma mass spectrometry, identified sixteen elements, including appreciable levels of six Environmental Protection Agency (EPA)-priority heavy metals: chromium, nickel, copper, zinc, cadmium, and lead. Comparative analysis showed a preferential accumulation of chromium, copper, lead, and cadmium in PE fragments over PP pellets, highlighting the role of polymer type. Cadmium concentration was particularly high (105 ± 15 mg/kg) in PE fragments from Playa de Montaña Roja SAC. In summary, this doctoral thesis provides robust empirical evidence on the abundance, spatiotemporal distribution, and characteristics (shape, color, and polymer type) of microplastics in MPAs, along with associated heavy metal concentrations. The findings presented herein not only reinforce the urgency of addressing plastic pollution but also offer practical tools and insights to guide the development of public policies aimed at protecting vulnerable marine ecosystems from microplastic-related threats.

(Català) La contaminació per plàstics s’ha convertit en una amenaça crítica per als ecosistemes marins, especialment en zones costaneres protegides i ecològicament sensibles. Aquesta tesi doctoral presenta una avaluació espaciotemporal dels residus de partícules plàstiques, inclosos els microplàstics, en sediments de platja de zones marines protegides (ZMP) a la costa del Carib de La Guajira, Colòmbia, i en Zones Especials de Conservació (ZEC) marines a Tenerife, Illes Canàries, Espanya. El treball de camp va incloure un mostreig sistemàtic en 13 platges (set a La Guajira i sis a Tenerife), representant una varietat de condicions ambientals. L’estudi a La Guajira, el primer d’aquest tipus a la regió, va revelar una abundància de microplàstics que oscil·lava entre 2,4 ± 0,6 i 22 ± 7 microplàstics/m2, amb concentracions que variaven estadísticament segons l’ús de la platja, però sense diferències significatives entre els dos períodes de mostreig. Els filaments, principalment procedents d’activitats pesqueres, van ser el tipus més prevalent (38,5 %). A les ZEC marines de Tenerife, una avaluació exhaustiva de 12 setmanes de macro-, meso- i microplàstics va revelar una variabilitat espacial i temporal significativa. La Platja de Montaña Roja va destacar com un punt crític de contaminació, amb 64 ± 36 mesoplàstics/m2 i 506 ± 364 microplàstics/m2. Els fragments van dominar les mostres (80 %), especialment els de color blanc i tons clars, indicant el seu probable origen com a partícules secundàries derivades de productes de consum. En ambdós escenaris, els polímers més comuns detectats van ser polietilè (PE), polipropilè (PP) i poliestirè, a causa de la seva flotabilitat en entorns marins, fet que també reflecteix les tendències globals de producció. L’anàlisi addicional de la presència de metalls pesants en microplàstics de les ZEC de Tenerife, mitjançant digestió àcida assistida per microones i espectrometria de masses amb plasma acoblat inductivament, va identificar setze elements, inclosos nivells apreciables de sis metalls pesants prioritaris segons l’Agència de Protecció Ambiental (EPA): crom, níquel, coure, zinc, cadmi i plom. L’anàlisi comparativa va mostrar una acumulació preferent de crom, coure, plom i cadmi en fragments de PE respecte als pellets de PP, destacant el paper del tipus de polímer. La concentració de cadmi va ser especialment elevada (105 ± 15 mg/kg) en fragments de PE procedents de la ZEC Platja de Montaña Roja. En resum, aquesta tesi doctoral aporta una sòlida evidència empírica sobre l’abundància, la distribució espaciotemporal i les característiques (forma, color i tipus de polímer) dels microplàstics en ZMP, així com sobre les concentracions associades de metalls pesants. Les troballes aquí presentades no només reforcen la urgència d’abordar la contaminació per plàstics, sinó que també ofereixen eines i perspectives pràctiques per guiar el desenvolupament de polítiques públiques destinades a protegir els ecosistemes marins més vulnerables de les amenaces associades als microplàstics.

(Español) La contaminación por plásticos se ha convertido en una amenaza crítica para los ecosistemas marinos, particularmente en áreas costeras protegidas y ecológicamente sensibles. Esta tesis doctoral presenta una evaluación espaciotemporal de los residuos de partículas plásticas, incluidos los microplásticos, en sedimentos de playa de áreas marinas protegidas (AMPs) en la costa caribeña de La Guajira, Colombia, y en Zonas Especiales de Conservación (ZEC) marinas de Tenerife, Islas Canarias, España. El trabajo de campo incluyó un muestreo sistemático en 13 playas (siete en La Guajira y seis en Tenerife), representando una variedad de condiciones ambientales. El estudio en La Guajira, el primero de su tipo en la región, reveló una abundancia de microplásticos que varió entre 2,4 ± 0,6 y 22 ± 7 microplásticos/m2, con concentraciones que variaron estadísticamente según el uso de la playa, pero sin diferencias significativas entre los dos periodos de muestreo. Los filamentos, principalmente de actividades pesqueras, fueron el tipo más prevalente (38,5 %). En las ZEC marinas de Tenerife, una evaluación integral durante 12 semanas de macro-, meso- y microplásticos reveló una variabilidad espacial y temporal significativa. La Playa de Montaña Roja destacó como un punto crítico de contaminación, con 64 ± 36 mesoplásticos/m2 y 506 ± 364 microplásticos/m2. Los fragmentos dominaron las muestras (80 %), especialmente los de color blanco y tonos claros, lo que indica su probable origen como partículas secundarias derivadas de productos de consumo. En ambos escenarios, los polímeros más comunes detectados fueron polietileno (PE), polipropileno (PP) y poliestireno, debido a su flotabilidad en ambientes marinos, lo cual también refleja las tendencias globales de producción. Un análisis adicional de la presencia de metales pesados en microplásticos de las ZEC de Tenerife, mediante digestión ácida asistida por microondas y espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente, identificó dieciséis elementos, incluidos niveles apreciables de seis metales pesados prioritarios según la Agencia de Protección Ambiental (EPA): cromo, níquel, cobre, zinc, cadmio y plomo. El análisis comparativo mostró una acumulación preferente de cromo, cobre, plomo y cadmio en fragmentos de PE respecto a pellets de PP, destacando el papel del tipo de polímero. La concentración de cadmio fue particularmente alta (105 ± 15 mg/kg) en fragmentos de PE procedentes de la ZEC Playa de Montaña Roja. En resumen, esta tesis doctoral proporciona evidencia empírica sólida sobre la abundancia, distribución espaciotemporal y características (forma, color y tipo de polímero) de los microplásticos en AMPs, así como sobre las concentraciones asociadas de metales pesados. Los hallazgos aquí presentados no solo refuerzan la urgencia de abordar la contaminación por plásticos, sino que también ofrecen herramientas e ideas prácticas para orientar el desarrollo de políticas públicas destinadas a proteger los ecosistemas marinos más vulnerables frente a las amenazas relacionadas con los microplásticos.