Data-informed models for the coupled dispersal of microplastics and plastic-related pollutants applied to the Mediterranean Sea

Microplastic pollution is a global emerging environmental threat, particularly for marine ecosystems. Mounting evidence highlights that floating microplastics in the sea are not just passively transported by wind and surface currents, but are often contaminated with organic pollutants and colonized by marine organisms, that are processes occurring at microplastic scale. These interactions with abiotic and biotic components of the seascape affect the dynamics of microplastics at sea and may exacerbate their toxicity to marine biota; on the other hand, these phenomena are inherently hard to observe on field. There is thus an urgent need for more effective modelling of advection-diffusion processes that jointly involve microplastics and the pollutants they carry, their spatiotemporal patterns and ecological impacts, and the benefits that could be obtained by policies preventing microplastics from entering the sea. This thesis proposes and analyzes novel models based on oceanographic reanalyses to simulate realistic patterns of release and transport of plastic waste in the marine environment, as well as its consequent interactions with the seascape. Crucial to the realism of our models is the identification of the drivers of plastic pollution and the exploitation of the wide variety of data linked with them, ranging from national censuses to satellite data of surface water runoff and GPS ship tracking. Here we present the conceptual design, methodological settings, and modelling results of a novel 2D Lagrangian-Eulerian modelling framework that simultaneously describes in a simple, yet comprehensive way (i) the Lagrangian dispersal of microplastic on the sea surface, (ii) the Eulerian advection-diffusion of selected organic contaminants, and (iii) the gradient-driven chemical exchanges between microplastic particles and chemical pollutants in the marine environment. The results of our method applied to the Mediterranean Sea in a multi-year simulation experiment suggest that accounting for microplastic particles as vectors might indeed affect the spatiotemporal patterns of organic pollution at sea, and that particle sinking could regulate the balance of plastic-related pollutants in the sea surface layer. While providing further understanding of the distribution of microplastics in the Mediterranean, our modelling approach contributes to a first basin-wide assessment of their role as a vehicle of other pollutants of concern in the marine environment. Furthermore, the generality and adaptability of the Lagrangian-Eulerian modelling approach proposed here make it possible to successfully deal with similar problems arising when moving microplastic particles modify the properties of the surrounding marine environment. As a notable example, we show how our modeling framework can be applied to the study of microplastic-mediated carbon export in the Mediterranean Sea. Although far from providing a complete picture of the complex phenomenon of plastic-related pollution at sea, the framework proposed here is intended as a flexible tool to help advance knowledge towards a comprehensive description of the multifaceted threat posed by marine plastic pollution and an informed support to targeted mitigation policies.

L'inquinamento da microplastica sta emergendo come minaccia ambientale a livello globale, in particolare per gli ecosistemi marini. Sempre più dati evidenziano che, in mare, le microplastiche non sono elementi inerti trasportati dal vento e dalle correnti, ma risultano spesso essere contaminate da inquinanti organici e colonizzate da organismi marini. L’interazione con le componenti abiotiche e biotiche degli ecosistemi marini influenza la dinamica delle microplastiche in mare, potenzialmente aggravando gli effetti tossici per il biota marino. È dunque urgente fornire una descrizione efficace dei processi di trasporto-diffusione che coinvolgono simultaneamente le microplastiche e gli inquinanti da esse trasportati, dei rispettivi pattern di distribuzione, degli impatti ecologici da essi causati, e dei benefici risultanti da politiche di controllo che riducano gli input di microplastica in mare. Al fine di far luce su questi fenomeni spesso difficili da osservare sul campo, questa tesi propone e analizza modelli innovativi basati su rianalisi oceanografiche per simulare pattern realistici di rilascio e trasporto di microplastiche in ambiente marino e le relative interazioni. Al fine di aderire il più possibile alla realtà, aspetto cruciale dei nostri modelli è l'identificazione di variabili che determinano gli input di microplastica in mare e l’uso della grande varietà di dati a esse correlati, tra cui dati di popolazione, dati satellitari di ruscellamento superficiale e localizzazione GPS delle navi da pesca. In questo lavoro si presentano il design concettuale, le impostazioni metodologiche e i risultati di un nuovo framework modellistico lagrangiano-euleriano 2D in grado di descrivre simultaneamente, e in modo semplice ma completo, (i) la dispersione lagrangiana di microplastiche nello strato superficiale del mare, (ii) il trasporto-diffusione euleriano di inquinanti organici target, e (iii) gli scambi chimici tra ciascuna particella di microplastica e gli inquinanti dispersi in mare. I risultati del nostro metodo, applicato al Mar Mediterraneo in una simulazione pluriennale, suggeriscono che tenere conto della tendenza delle particelle di microplastica ad agire come vettori potrebbe avere un impatto sulla dispersione di inquinanti organici in mare. Inoltre, la rimozione di particelle dalla superficie dovuta ad affondamento delle particelle può, allo stesso tempo, agire come meccanismo di trasporto in profondità degli inquinanti ad esse correlati. Oltre a fornire ulteriore evidenza scientifica sulla dispersione di microplastiche su scala mediterranea, il presente approccio modellistico contribuisce a valutare quantitativamente la capacità delle microplastiche di agire come vettori di altri inquinanti in ambiente marino. Inoltre, grazie al carattere generale ed alla sua flessibilità, l'approccio modellistico lagrangiano-euleriano qui proposto si è dimostrato efficace nel descrivere problemi simili, in cui le particelle in movimento modificano le proprietà dell'ambiente circostante. Come esempio degno di nota, si mostra come come questo modello può essere applicato allo studio dei flussi di carbonio mediati da microplastiche nel Mar Mediterraneo. Benché lontano dal fornire un quadro completo del complesso fenomeno dell'inquinamento marino legato alla plastica, il framework modellistico qui proposto è inteso come uno strumento flessibile per assistere il progresso della conoscenza verso una descrizione omnicomprensiva delle minacce causate dall'inquinamento marino da plastica, al fine di informare azioni di mitigazione mirate.