Microplastics in Varved Sediments of Haverö Sedimentary Basin

Abstract

The exponential growth of plastic production during the past century has increased the amount of microplastics that accumulate in marine ecosystems and in sediments, yet high-resolution historical accumulation rates remain poorly resolved. This study presents a new methodological approach to investigating microplastic abundance, polymer types, and concentrations in annually laminated sediments from an enclosed, hypoxic basin of Haverö located in the Turku Archipelago Sea, Finland. The use of varved sediments in the study of microplastics can provide a temporal insight into microplastic accumulation on a year-to-year basis. A sediment core spanning 60 years (1964-2024) was retrieved and later subsampled. LOI and MS values were measured for each varve year, also reflecting compositional variations in the varve structure. Due to the time-intensive nature of MP extraction, 16 of the most recent varves (2009-2024) underwent heavy liquid separation and enzymatic purification stages to separate the sediment from the MPs. After purification and filtering 16 samples were analysed for MP identification using FTIR spectroscopy and the FTIR-data processed through siMPle software. A total of 258 MPs were found from 256.65 g of dry weight sediment. PE and PP were the most abundant polymer types found in the samples. Observed MP concentrations in the Haverö basin from 16 varved sediment samples were found to be 1.006 MPs/g. The abundance and concentration of MPs was likely lower due to the samples being saturated with biogenic chitin shells which were filtered through a 100 μm mesh prior to FTIR. This excluded the presence of MPs <100 μm found in the samples. This study demonstrates the feasibility of separating MPs from varved sediments and lends temporal insight into variation of MP abundances, concentrations, and polymer types for each varve year. This study also serves as an important framework for future research on microplastics using varved sediments and highlights what can be improved in the methodology.

Muovituotannon eksponentiaalinen kasvu viime vuosisadan aikana on lisännyt meriekosysteemeihin ja sedimentteihin kertyvien mikromuovien määrää, mutta niiden historialliset kertymänopeudet korkealla ajallisella resoluutiolla tunnetaan edelleen heikosti. Tässä tutkimuksessa esitetään uusi menetelmällinen lähestymistapa mikromuovien määrän, polymeerien ja pitoisuuksien tutkimiseen vuosikerrallisista sedimenteistä Saaristomerellä sijaitsevasta Haverön altaasta, jossa vallitsee happikato. Lustosedimenttien käyttö mikromuovitutkimuksessa voi tuoda tarkkaa ajallista tietoa mikromuovien kertymisestä vuosi vuodelta. 60 vuotta (1964–2024) kattava sedimenttikairanäyte otettiin tutkimusalueelta ja jaettiin myöhemmin osanäytteisiin. Hehkutushäviö ja magneettisen suskeptibiliteetin arvot mitattiin jokaiselta lustovuodelta, mikä myös heijastaa sedimentin lustorakennetta. 16 viimeisintä lustoa (2009–2024) käsiteltiin raskasneste-erotuksella ja entsymaattisella käsittelyllä sedimentin erottamiseksi mikromuoveista. Entsyymikäsittelyn ja suodatuksen jälkeen samat 16 näytettä analysoitiin mikromuovien tunnistamiseksi käyttäen FTIR-ohjelmistoa ja tulokset analysoitiin SiMPle:llä Yhteensä 258 mikromuovia löydettiin 256.65 grammasta kuivapainoista sedimenttiä. PE ja PP olivat näytteissä yleisimmät havaitut polymeerityypit. Haverön altaan 16 näytteestä havaituksi mikromuovipitoisuudeksi saatiin 1.006 MPs/g. Mikromuovien runsaus ja pitoisuus olivat todennäköisesti todellisuudessa suurempia, koska näytteet sisälsivät runsaasti biogeenisiä kitiinikuoria, jotka suodatettiin 100 μm:n verkon läpi ennen FTIR-analyysia. Tämän avulla saatiin suljettua pois alle 100 μm:n kokoiset mikromuovit näytteistä. Tutkimus osoittaa, että mikromuovien erottaminen lustosedimenteistä on toteutettavissa, ja tarjoaa ajallista tietoa mikromuovien määristä, pitoisuuksista ja polymeerityypeistä jokaiselta lustovuodelta. Tutkimus toimii myös tärkeänä pohjana tulevalle lustosedimenttejä hyödyntävälle mikromuovitutkimukselle sekä menetelmän kehittämismahdollisuuksien arvioinnille.