Study of the influence of fluvial dynamics on the distribution and transport of microplastics

Abstract

A dependência global da água, juntamente com o crescimento exponencial da produção de plástico nas últimas décadas, deu origem a uma preocupação ambiental premente - a poluição da água por microplásticos. A pandemia de COVID-19 e as consequências das crises financeiras agravaram ainda mais esta questão, com o aumento do consumo de plástico a conduzir a uma maior poluição dos ecossistemas aquáticos. Embora os processos de fragmentação dos plásticos gerem microplásticos, partículas de polímero com menos de 5 mm, a extensão total dos seus efeitos em diversos organismos, nomeadamente o ser humano, continua a ser objeto de investigação. Esta dissertação procura compreender a relação entre a dinâmica fluvial, o transporte de microplásticos e a sua distribuição em ambientes aquáticos. Os rios, considerados como os principais agentes responsáveis pelo transporte de partículas para os oceanos e zonas costeiras, desempenham um papel fundamental neste fenómeno. O comportamento dos microplásticos nos sistemas fluviais é uma interação complexa de processos físicos, químicos e biológicos, que exige uma análise meticulosa. Fundamentalmente, esta investigação tem como objetivo dar um passo no sentido de promover uma compreensão mais abrangente e clara desta questão e das suas consequências. O estudo foi efetuado no rio Cávado, desde a Ponte do Porto até à foz, abrangendo diversos ambientes e condições ambientais. Foram selecionados 17 locais de amostragem estrategicamente marcados e foi amostrado o sedimento em cada um deles. As amostras foram submetidas a um processo meticuloso, incluindo a secagem numa estufa e a separação da densidade utilizando uma solução de CaCl2 . A amostra sobrenadante resultante foi então recolhida e submetida a uma inspeção visual ao microscópio. Esta análise rigorosa levou à identificação visual de um total de 571 microplásticos. Os locais MP012B, MP009, MP005 e MP003 apresentaram as contagens mais elevadas e o estudo revelou um aumento distinto da prevalência de microplásticos de montante para jusante. Estatisticamente, os valores exibiram normalidade e indicaram diferenças estatisticamente significativas entre os grupos. Como resultado, a hipótese de que a dinâmica fluvial influencia o comportamento dos microplásticos foi conclusivamente corroborada. O estudo também explorou potenciais correlações entre os fatores de pressão fluvial e a abundância de microplásticos em vários locais de amostragem, considerando a presença de urbanizações, ETARs, terrenos agrícolas, áreas industriais e outras infraestruturas. No entanto, é essencial reconhecer potenciais fontes de contaminação cruzada, tais como partículas transportadas pelo ar ou fibras de vestuário, bem como a ausência de digestão da matéria orgânica e subsequente filtragem ou peneiração, o que pode ter induzido erros humanos na identificação das partículas. Por conseguinte, recomenda-se uma reavaliação e re-execução dos procedimentos laboratoriais.

The global reliance on water, coupled with the exponential growth of plastic production over the past decades, has given rise to a pressing environmental concern — microplastics water pollution. The COVID-19 pandemic and the aftermath of financial crises have further exacerbated this issue, with increased plastic consumption leading to the heightened pollution of aquatic ecosystems. While the fragmentation processes of plastic waste generate microplastics, polymer particles smaller than 5mm, the full extent of their effects on diverse organisms remains the subject of extensive research. Remarkably, the effects of microplastics on human health remain inadequately understood, underscoring the urgency of further investigation. This thesis embarks on a comprehensive exploration of the intricate relationship between fluvial dynamics, microplastic transportation, and their distribution in aquatic environments. Rivers, regarded as the primary agents responsible for the transportation of microplastic particles to oceans and coastal areas, play a pivotal role in this phenomenon. The behaviour of microplastics within river systems is a complex interplay of physical, chemical, and biological processes, requiring a meticulous examination. Understanding the specifics of how rivers impact the transport and dispersion of these particles is crucial for developing effective strategies to mitigate their adverse environmental and ecological effects. Fundamentally this investigation aims to be a step towards fostering a more comprehensive understanding of the broader issue of plastic pollution and its far-reaching consequences. The study was conducted in the Cávado River, spanning from the Porto Bridge to the river mouth, encompassing a diverse range of environmental conditions. A total of 17 strategically marked sampling sites were selected and the riverbed sediment of each was sampled. The samples underwent a meticulous process, including drying in a laboratory oven and density separation using a CaCl2 solution. The resulting supernatant sample was then collected and subjected to visual analysis under a microscope. This rigorous analysis led to the visual identification of a total of 571 microplastic particles. Notably, microplastics at sites MP012B, MP009, MP005, and MP003 displayed the highest counts, and the study revealed a distinct increase in microplastic prevalence from upstream to downstream locations. Statistically, the values exhibited normality and indicated statistically significant differences among groups. As a result, the hypothesis that fluvial dynamics influence microplastic behaviour was conclusively substantiated. The study also explored potential correlations between fluvial pressure factors and microplastic abundance at various sampling sites, considering the presence of urbanizations, wastewater treatment plants, agricultural land, industrial areas, and other infrastructures. However, it is essential to acknowledge potential sources of cross-contamination, such as airborne particles or clothing fibers, as well as the absence of organic matter digestion and subsequent filtering or sieving, which could lead to human error in particle identification. Therefore, a careful and thorough reassessment of the laboratory procedures is recommended.