Μοντελοποίηση της εισχώρησης των μικρο- και μακρο-πλαστικών σε περιοχές οικολογικού ενδιαφέροντος, καθώς και των επιπτώσεων τους σε μύδια και πελαγικά ψάρια της Μεσογείου

Abstract

The Mediterranean Sea is a hotspot of plastic pollution, posing risks for marine life with potential economic and ecological consequences. This dissertation focuses on investigating the threats of plastic pollution on the ecosystem of the Mediterranean Sea with the development and implementation of mathematical models that can be used to estimate the ecological impacts of plastic pollution. A validated plastic dispersion model was used to predict concentrations and origins of micro- and macro-plastics in Marine Protected Areas (MPAs). Bioenergetics models were developed to estimate the physiological effects of plastic pollution on specific species of commercial and ecological interest, such as farmed mussels and the threatened Mediterranean swordfish. A Dynamic Energy Budget (DEB) model was used to investigate the physiological effects of microplastics on the mussel Mytilus galloprovincialis. To support the DEB model a laboratory experiment was conducted with 5 different conditions of microplastics and suspended sediment (8 mussels per condition) at which the mussels’ clearance rate was measured. A Wisconsin-type bioenergetics model was developed for the Mediterranean swordfish Xiphias gladius and evaluated with fisheries observations data. The plastic distribution model predicted that the coastal zone is more impacted than open waters, with both micro- and macro-plastics occurring in higher concentrations near the coast. Thus, aquaculture locations and protected areas such as Natura 2000 sites and national MPAs, which are commonly restricted near the coastline, accumulated more plastics than Cetacean Critical Habitats (CCHs), which are usually larger and extend to the less impacted open waters. The model also predicted that the size of plastic litters plays a key role in their dispersion and ultimate destination, with transboundary pollution being important, especially for macroplastics, as most of the studied Mediterranean countries (13 out of 15) had at least one national MPA with over 55% of macroplastics originating from sources beyond their borders.The impacts of microplastics on farmed mussels were assessed in 30 locations across the basin. The DEB model was calibrated and validated with literature growth and clearance rate data as well as with the data extracted from the conducted experiment. The model showed that, on average, the clearance rate of farmed mussels was reduced by 0.8-4.5%, leading to minor implications on growth and reproduction. However, in at least one location, the effects of microplastics were considered important, with an estimated 8-22% reduction in clearance rate and corresponding reductions in dry tissue and egg production.The Wisconsin type swordfish bioenergetics model simulated daily prey consumption and growth was validated against fisheries observational data, showing reasonable agreement, while the estimated annual egg production per individual was similar to those stemming from stock assessment datasets. The model suggested that each individual is reproductively active for approximately 15 days, while the commonly reported spawning season of the whole population lasts approximately 90 days. Future work could focus to simulate prey distribution and horizontal migration to enable the investigation of physiological impacts of plastic pollution on the Mediterranean swordfish. Yet, the developed model, is a significant step forward as it is the first bioenergetics model for this threatened species.Overall, the mathematical models developed, validated and implemented in the dissertation provide insights into the impacts of plastic pollution on the Mediterranean ecosystem and can support policy decisions to reduce plastic pollution and protect marine life.

Η Μεσόγειος θάλασσα χαρακτηρίζεται από μεγάλες συγκεντρώσεις πλαστικών, που επηρεάζουν τη θαλάσσια ζωή με πιθανές οικονομικές και οικολογικές επιπτώσεις. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη διερεύνηση των οικολογικών επιπτώσεων της πλαστικής ρύπανσης στο οικοσύστημα της Μεσογείου με την ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων. Χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο διασποράς πλαστικών για την πρόβλεψη της προέλευσης και των συγκεντρώσεων των μικρο- και μακροπλαστικών σε Θαλάσσιες Προστατευόμενες Περιοχές (MPAs). Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκαν και εφαρμοστήκαν βιοενεργητικά μοντέλα για την εκτίμηση των βιολογικών επιπτώσεων της πλαστικής ρύπανσης σε συγκεκριμένα είδη εμπορικού και οικολογικού ενδιαφέροντος, όπως είναι τα καλλιεργούμενα μύδια και ο απειλούμενος ξιφίας της Μεσογείου. Ένα μοντέλο Dynamic Energy Budget (DEB) χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση των φυσιολογικών επιδράσεων των μικροπλαστικών στο μύδι Mytilus galloprovincialis. Για την υποστήριξη του μοντέλου DEB διεξήχθη ένα εργαστηριακό πείραμα με 5 διαφορετικές συνθήκες μικροπλαστικών και αιωρούμενου ιζήματος (8 μύδια ανά συνθήκη) στο οποίο μετρήθηκε ο ρυθμού απομάκρυνσης των μυδιών (clearance rate), μέτρηση του ρυθμού θρέψης των μυδιών. Ένα βιοενεργητικό μοντέλο τύπου Wisconsin αναπτύχθηκε για τον μεσογειακό ξιφία Xiphias gladius το οποίο αξιολογήθηκε με δεδομένα αλιείας.Το μοντέλο διασποράς πλαστικών προέβλεψε ότι η παράκτια ζώνη επηρεάζεται περισσότερο από τα ανοιχτά νερά, με τα μικρο- και τα μακρο-πλαστικά να εμφανίζονται σε υψηλότερες συγκεντρώσεις κοντά στην ακτή. Έτσι, οι υδατοκαλλιέργειες και προστατευόμενες περιοχές, όπως τοποθεσίες Natura 2000 και εθνικές MPAs, που συνήθως περιορίζονται κοντά στην ακτογραμμή, συσσώρευσαν περισσότερα πλαστικά από τα Κρίσιμα Ενδιαιτήματα Κητωδών (CCH), που είναι συνήθως μεγαλύτερες περιοχές και εκτείνονται στα λιγότερο επηρεασμένα ανοιχτά ύδατα. Το μοντέλο προέβλεψε επίσης ότι το μέγεθος των πλαστικών παίζει βασικό ρόλο στη διασπορά και τον τελικό προορισμό τους, με τη διασυνοριακή ρύπανση να είναι σημαντική, ειδικά για τα μακροπλαστικά. Οι περισσότερες από τις χώρες που μελετήθηκαν (13 στις 15) είχαν τουλάχιστον μια εθνική MPA με πάνω από το 55% των μακροπλαστικών να προέρχονται από πηγές πέρα από τα σύνορά τους.Οι επιπτώσεις των μικροπλαστικών στα εκτρεφόμενα μύδια αξιολογήθηκαν σε 30 τοποθεσίες σε όλη τη λεκάνη της Μεσογείου. Το μοντέλο DEB βαθμονομήθηκε και επικυρώθηκε με βιβλιογραφικά δεδομένα αύξησης σώματος και ρυθμού απομάκρυνσης καθώς και με τα δεδομένα που εξήχθησαν από το πείραμα που διεξάχθηκε. Το μοντέλο έδειξε ότι, κατά μέσο όρο, ο ρυθμός απομάκρυνσης των καλλιεργούμενων μυδιών μειώθηκε κατά 0.8-4.5%, που είχε σαν αποτέλεσμα μικρές επιπτώσεις στην σωματική ανάπτυξη και την αναπαραγωγή τους. Ωστόσο, σε τουλάχιστον μία τοποθεσία, οι επιδράσεις των μικροπλαστικών θεωρήθηκαν σημαντικές, με εκτιμώμενη μείωση 8-22% στο ρυθμό απομάκρυνσης και αντίστοιχες μειώσεις στον ξηρό ιστό και την παραγωγή αυγών.Το βιοενεργητικό μοντέλο για τον ξιφία της Μεσογείου αξιολογήθηκε ως προς την ημερήσια κατανάλωση τροφής, την σωματική ανάπτυξη και την αναπαραγωγή και βρέθηκε ότι συμφωνεί με τα δεδομένα πεδίου, ενώ οι εκτιμήσεις της ετήσιας παραγωγής αυγών ανά άτομο ήταν παρόμοιες με εκείνες που προκύπτουν από τις αξιολογήσεις αποθεμάτων. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι κάθε άτομο είναι αναπαραγωγικά ενεργό για περίπου 15 ημέρες, ενώ η έως τώρα καταγεγραμμένη περίοδος ωοτοκίας ολόκληρου του πληθυσμού είναι περίπου 90 ημέρες. Μελλοντικές εργασίες θα πρέπει να επικεντρωθούν στην προσομοίωση της κατανομής των θηραμάτων του ξιφία καθώς και της οριζόντιας μετανάστευσης του, προκειμένου να καταστεί δυνατή η διερεύνηση των φυσιολογικών επιπτώσεων της πλαστικής ρύπανσης στον ξιφία της Μεσογείου. Ωστόσο, το μοντέλο που αναπτύχθηκε, είναι ένα σημαντικό βήμα προόδου καθώς είναι το πρώτο βιοενεργητικό μοντέλο για αυτό το απειλούμενο είδος.Συνολικά, τα μαθηματικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή παρέχουν πληροφορίες για τις επιπτώσεις της πλαστικής ρύπανσης στο οικοσύστημα της Μεσογείου ενώ μπορούν να υποστηρίξουν πολιτικές αποφάσεις για τη μείωση της πλαστικής ρύπανσης και την προστασία της θαλάσσιας ζωής.