Plastic litter in seafloor habitats of the Balearic islands and its implications for marine species

Abstract

[eng] Over the last years, marine litter has become a global problem arising the awareness of the scientific community and highlighting the urgent need to understand the implications that this, especially the plastic fraction, might have on different sea compartments such as the seafloor and also on marine organisms. The Balearic Islands (western Mediterranean Sea) are exposed to human stressors such as an intense use of the coast and the marine environment associated to leisure activities, recreational and professional fishing, maritime transport and intense coastal urbanization, amongst others, all of which are contributors of marine litter into the sea, which can impact marine ecosystems and biodiversity. This thesis aims to investigate seafloor litter, especially the plastic fraction, in areas around the Balearic Islands exposed to anthropogenic pressures such as fishing and to determine factors influencing its distribution. It also proposes to understand the exposure of these areas to plastic pollution by combining different indicators of plastic litter as well as assessing microplastic ingestion in seafloor species and physiological effects associated to this ingestion. A bibliographic review at a Mediterranean basin scale exploring areas exposed to marine litter as well as analyzing the implications of these on species was performed in first place. This evidenced that the effects of plastics on biota depended on the taxonomic group and plastic size. Results also showed that first studies documented ingestion or entanglement of plastics mainly with marine mammals, whereas macrobenthic invertebrate species and algae were also identified in floating objects or observed to colonize litter items on the seabed and some fish species were seen to have plastic items amongst their stomach contents (Chapter 3). In an approach to study marine litter from the continental shelf to the middle slope of fishing grounds around the Balearic Islands, data on different litter fractions (clinker, glass, metal, rubber, fishing material, paper, plastic and cloth) from 15 years of bottom trawl surveys was analyzed. Abundance data on marine litter showed an unequal distribution according to the different fractions analyzed and plastic was the second most common litter fraction (after glass) with a mean (± standard error) value of 2.73 ± 0.26 kg/km2. A Generalized Additive Model (GAM) was applied to explore seafloor plastics patterns indicating that its distribution is influenced by sampling area, bathymetric strata (depth) and distance to the coastline with highest abundances along the northwestern coast of Mallorca (Chapter 4). A twofold approach combining two indicators on Marine Litter (Descriptor 10) of the Marine Strategy Framework Directive (MSFD): litter deposited on the seafloor (indicator 10.1.2) and litter ingested by marine animals (indicator 10.2.1), was developed (Overlap Index) in an attempt to asses, simultaneously and at the same sampling point, exposure of seafloor areas to plastic pollution. This Overlap Index increased with depth suggesting that plastic pollution is more dependent on it than spatial coverage and it also reflected that surrounding areas of an anthropogenized bay and Marine Protected Areas (MPAs) were more exposed to plastic pollution (Chapter 5). In order to evaluate plastic ingestion in seafloor species, microplastic ingestion in two common and abundant demersal species but with different spatial distribution was investigated through visual sorting of stomachs and gastrointestinal tracts. Microplastic ingestion in Mullus surmuletus (0.42 ± 0.04 microplastics/individual) was higher than in Galeus melastomus (0.34 ± 0.07 microplastics/individual) probably related to differences in seafloor plastic abundance with depth (Chapter 6 and 7). Finally, the physiological effects associated to microplastic ingestion in red mullet, M. surmuletus, a species of commercial interest in the study area, were assessed through biomarkers of oxidative stress and cellular damage related to the generation of Reactive Oxygen Species (ROS). Results indicated a slight increase of the enzyme Glutathione S-Transferase (GST), related to the detoxification system of fish as a response to microplastic ingestion in the marine environment (Chapter 7). This thesis demonstrates that seafloor areas of the Balearic Islands are subjected to plastic pollution depending on geographical factors, such as sampling area and depth, and that some areas including the northwestern and southwestern of Mallorca seem to be more vulnerable to plastic pollution. Moreover, evidence of the ingestion of microplastics by several species is provided, reflecting that some species living or feeding close to the seafloor are exposed to plastic pollution. Specifically, it has been seen that M. surmuletus and G. melastomus could be valid indicator species of plastic pollution in these areas. Finally, the results from this thesis allow building on to the generation and transference of knowledge related to this field of research. All of this could be taken into consideration when developing management and conservation measures and plans for plastic pollution at a local and regional scale.

[cat] Durant els darrers anys, les deixalles marines s'han convertit en un problema a escala global, captant l'atenció de la comunitat científica i destacant la necessitat reial i urgent d'entendre les implicacions que aquestes poden tenir, especialment la fracció de plàstics als diferents compartiments del medi marí, com pot ser el fons marí, i sobre les espècies marines. Les Illes Balears (Mediterrani occidental) estan sotmeses a pressions humanes incloent, entre altres, l’ús intensiu de la seva zona costanera associat a activitats recreatives, transport marítim, pesca recreativa i professional i una elevada pressió urbanística, totes elles contribuïdores de la pol·lució per plàstics al medi marí que poden impactar sobre aquests ecosistemes i la seva biodiversitat. L'objectiu principal d'aquesta tesi és investigar les deixalles al fons marí, especialment la fracció dels plàstics, en àrees del Mar Balear exposades a pressions antropogèniques com son les àrees de pesca, i determinar quins factors poden influir a la distribució dels plàstics al fons. També es proposa analitzar l'exposició d'aquestes àrees als plàstics mitjançant la combinació de diferents indicadors així com estudiar la ingesta de microplàstics a espècies de fons i els efectes fisiològics associats a aquesta ingesta. En primer lloc es va realitzar una revisió bibliogràfica explorant les àrees del Mar Mediterrani més exposades a les deixalles marines i les implicacions que aquestes poden tenir sobre les espècies. Els resultats d'aquesta revisió bibliogràfica evidencien que els efectes depenen del grup taxonòmic i de la mida dels plàstics i assenyalen que els primers estudis tractaven la ingesta o asfíxia dels plàstics principalment a mamífers marins, mentre que els macroinvertebrats i algues s'identificaren colonitzant objectes flotant a la superfície de la mar o dipositats als fons marí i també s’observaren plàstics als continguts estomacals de peixos (Capítol 3). Per l'estudi de deixalles marines a la plataforma continental i al talús d'envoltant les Illes Balears, es va analitzar l'abundància de les diferents fraccions de deixalles (clínquer, vidre, metall, goma, material de pesca, paper, plàstics i teles) a partir de 15 anys de dades obtingudes a campanyes científiques. L'abundància de les deixalles marines presenta una distribució desigual en funció de la fracció analitzada i els plàstics són la segona fracció més comuna (després del vidre) amb un valor mitjà (± error estàndard) de 2.73 ± 0.26 kg/km2. Es va aplicar un Model Additiu Generalitzat (GAM) per l'estudi dels plàstics al fons marí i es va demostrar que l'àrea de mostreig, l'estrata batimètrica (fondària) i la distància a la costa, influeixen en la seva distribució amb una major acumulació al nord-oest de Mallorca (Capítol 4). Per tal d'estudiar l'exposició del fons marí als plàstics d'una forma simultània i a la mateixa àrea de mostreig, es va desenvolupar un índex de solapament (Overlap Index) que combina dos indicadors de deixalles marines (Descriptor 10) integrats a la Directiva marc sobre l’estratègia marina: deixalles al fons marí (indicador 10.1.2) i deixalles ingerides pels organismes marins (indicador 10.2.1). Aquest índex de solapament augmenta amb la fondària suggerint que la pol·lució pels plàstics és més dependent d'aquesta que de la cobertura espacial, al mateix temps que reflecteix que una badia antropogenitzada i algunes Àrees Marines Protegides es troben més exposades a la pol·lució pels plàstics en comparació amb altres àrees estudiades (Capítol 5). Es va analitzar la ingesta de microplàstics a dues espècies demersals, comuns i abundants a la zona d'estudi però amb diferent distribució espacial mitjançant l'anàlisi visual d'estómacs i tractes gastrointestinals. La ingesta de microplàstics a Mullus surmuletus (0.42 ± 0.04 microplàstics/individu) va ser major que a Galeus melastomus (0.34 ± 0.07 microplàstics/individu), probablement relacionat amb les diferències de plàstics amb la fondària (Capítols 6 i 7). Finalment, es va estudiar els efectes fisiològics associats a la ingesta de microplàstics al moll, M. surmuletus, una espècie d'interès comercial a l'àrea d'estudi, mitjançant l'aplicació de biomarcadors d'estrès oxidatiu i dany cel·lular associats amb la generació d'espècies reactives d'oxigen (ROS). Els resultats indiquen un lleuger augment en l'activitat de l'enzim glutatió-S-transferas (GST), relacionat amb el sistema de detoxificació de l’individu com a resposta a la ingesta de microplàstics al medi marí (Capítol 7) Aquesta tesi dóna evidència de que els fons marins d'envoltant les Illes Balears estan sotmesos a la pol·lució per plàstics i que això depèn de factors geogràfics com l'àrea d'estudi i la fondària, i que algunes àrees, incloent la costa nord-occidental i sud-occidental de Mallorca semblen ser més vulnerables a aquest tipus de pol·lució. A més es fonamenta la ingesta de microplàstics per diverses espècies, assenyalant que algunes d’elles que viuen o s'alimenten a prop del fons es veuen exposades a la pol·lució per plàstics. Concretament, s’ha vist que M. surmuletus i G. melastomus, podrien ser vàlids indicadors de plàstics a l'àrea d'estudi. Finalment, els resultats d'aquesta tesi permeten enfortir la generació i transferència de coneixement relacionat amb aquest camp d'investigació. Tot això hauria de considerar-se a l'hora de desenvolupar mesures i plans de conservació i gestió per fer front a la pol·lució per plàstics tant a escala local com regional.

[spa] Durante los últimos años, la basura marina se ha convertido en un problema global, captando la atención de la comunidad científica y destacando la necesidad real y urgente de comprender las implicaciones que esta, especialmente la fracción de plásticos, puede tener sobre los diferentes compartimentos del medio marino, como el fondo del mar y los organismos. Las Islas Baleares (Mar Mediterráneo occidental) están expuestas a presiones antropogénicas tales como, un uso intenso de su costa y el medio marino asociado a actividades recreativas, transporte marítimo, pesca recreativa y profesional, una intensa presión urbanística, todas ellas contribuidoras de plásticos al medio marino que pueden impactar sobre estos ecosistemas y su biodiversidad. La presente tesis tiene como objetivo investigar la basura marina, especialmente la fracción de plásticos, en el fondo marino de áreas del Mar Balear expuestas a presiones antropogénicas como pueden ser la pesca, y determinar qué factores influyen en la distribución de estos. Mediante la combinación de distintos indicadores, se pretende determinar las áreas más expuestas a este tipo de polución, así como abordar el estudio de la ingesta de microplásticos en especies de fondo y los efectos fisiológicos asociados a la ingesta de estos. En primer lugar se llevó a cabo una revisión bibliográfica sobre las áreas más expuestas a las basuras marinas en el Mar Mediterráneo y las implicaciones que estas pueden tener sobre las especies marinas. De este análisis se pudo observar que los efectos de los plásticos sobre la biota dependen del grupo taxonómico y del tamaño del plástico. Asimismo, los primeros estudios científicos trataban la ingesta o enredo de plásticos principalmente en mamíferos marinos, mientras que algunas especies de invertebrados y algas se observaron colonizando objetos flotando en la superficie o depositados en el fondo del mar, además de documentarse plásticos en los contenidos estomacales de ciertas especies ícticas (Capítulo 3). Para el estudio de la basura marina sobre la plataforma continental y el talud de áreas expuestas a la pesca de alrededor de las Islas Baleares, se analizó la abundancia de distintas fracciones de basura (clínker, vidrio, metal, goma, material de pesca, papel, plásticos y telas) procedentes de 15 años de campañas científicas. Se observó una distribución desigual a lo largo del área prospectada en función de la fracción analizada y los plásticos constituían la segunda fracción más abundante (después del vidrio) en la zona de estudio con un valor medio (± error estándar) de 2.73 ± 0.26 kg/km2. Para el análisis de plásticos en el fondo marino, se aplicó un Modelo Aditivo Generalizado (GAM) indicando que el área de estudio, el estrato batimétrico (profundidad) y la distancia a costa definían la distribución de estos con una mayor acumulación en la zona noroeste de Mallorca (Capítulo 4). Con el propósito de analizar la exposición del fondo marino a los plásticos de una manera simultánea y en el mismo punto de muestreo, se desarrolló un índice de solapamiento (Overlap Index) mediante la combinación de dos indicadores de basuras marinas (Descriptor 10) de la Directiva Marco sobre la Estrategia Marina: desechos depositados en los fondos marinos (indicador 10.1.2) y desechos ingeridos por los animales marinos (indicador 10.2.1). Este índice de solapamiento incrementaba con la profundidad sugiriendo que la afectación por plásticos es más dependiente de esta que de la cobertura espacial. Este índice también indicó que la zona de una bahía antropogenizada y algunas zonas de Áreas Marinas Protegidas estaban más expuestas a la polución por plásticos en comparación con otras zonas estudiadas (Capítulo 5). Con el fin de evaluar la ingesta de plásticos en especies demersales, se investigó la ingesta de microplásticos en dos especies comunes y abundantes pero con distinta distribución espacial mediante el análisis visual de estómagos y tractos gastrointestinales. La ingesta de microplásticos en Mullus surmuletus (0.42 ± 0.04 microplásticos/individuo) fue mayor que en Galeus melastomus (0.34 ± 0.07 microplásticos/individuo), probablemente asociado a las diferencias de plásticos con la profundidad (Capítulo 6 y 7). Finalmente, se estudiaron los efectos fisiológicos asociados a la ingesta de microplasticos en el salmonete, M. surmuletus, una especie de interés comercial en el área de estudio, mediante la aplicación de biomarcadores de estrés oxidativo y daño celular relacionados con la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS). Estos biomarcadores indicaron un ligero aumento en la actividad de la enzima glutatión-S-transferasa (GST), asociados al sistema de detoxificación del individuo como respuesta a la ingesta de microplásticos en el medio marino (Capítulo 7). Esta tesis da evidencia de que el fondo marino está expuesto a la polución por plásticos dependiendo de factores geográficos como, el área de estudio y la profundidad, y que algunas áreas incluyendo el noroeste y suroeste de Mallorca son más vulnerables a los plásticos marinos. Además, se demuestra que hay una ingesta de microplásticos en varias especies, reflejando que algunas de estas que viven o se alimentan cerca del fondo del mar están expuestas a este tipo de polución. Concretamente, se ha visto que M. surmuletus y G. melastomus pueden ser validos indicadores de plásticos en el área de estudio. Finalmente, los resultados permiten construir sobre la generación y transferencia de conocimiento relacionados a este campo de investigación. Todo ello debería tenerse en consideración a la hora de desarrollar medidas y planes de conservación y gestión para hacer frente a la polución por plásticos tanto a escala local como regional.