MicroVectors: understanding microplastic fragmentation, virus interactions, co-transport and groundwater risks

Abstract

Die Welt befindet sich in einer enormen Zunahme der Verunreinigung unserer Umwelt durch Plastikabfälle, die die Ökosysteme extrem belasten, die biologische Vielfalt gefährdet und die Gesundheit unseres Planeten aufs Spiel setzt. Trotz des wachsenden Bewusstseins bleibt die Tatsache bestehen, dass die Umwelt weiterhin mit Plastikmüll überflutet wird. Kunststoffe bleiben auf unbestimmte Zeit bestehen und zerfallen in kleinere Fragmente, das so genannte Mikroplastik. Mikroplastik ist inzwischen in jeden Winkel der Erde zu finden und durchdringt Ökosysteme, die Nahrungskette und sogar den menschlichen Körper. Die Verschmutzung von Flüssen durch Mikroplastik hat sich zu einem dringenden Umweltproblem entwickelt. Die Flussuferfiltration (RBF) entlang großer Flüsse (z.B. der Donau) spielt eine entscheidende Rolle bei der Trinkwasserversorgung von Millionen Menschen. Da RBF-Systeme sehr dynamisch sind, sind sie anfälliger für Verunreinigungen. Städtische Abwässer und Kläranlagen sind bekannte Verursacher von Mikroplastik in Flüssen. Aber auch die Berufs- und Freizeitschifffahrt bringt durch die Einleitung von Farbpartikeln und Grauwasser große Mengen an Mikroplastik direkt in die Flüsse. Kleinere Mikroplastikpartikel (Durchmesser < 20 μm) werden mit größerer Wahrscheinlichkeit durch hyporheischen Austausch in Grundwasserleiter transportiert. Diese Mikroplastikpartikel interagieren mit Krankheitserregern und werden weiter fragmentiert, was ein ernsthaftes Risiko für die Kontamination des Grundwassers darstellt. Das Transportverhalten von Mikroplastik im Submikronbereich (Durchmesser < 20 μm), insbesondere seine Form und Größe sowie seine Aggregation mit Krankheitserregern während der Passage im Grundwasserleiter, ist noch kaum erforscht. Daher zielt diese Dissertation darauf ab, die potenzielle Bedrohung für Grundwassersysteme durch eine Mikroplastikverschmutzung besser zu verstehen und damit auch die Möglichkeiten für entsprechende legistische Maßnahmen in Hinsicht auf den Schutz von Grundwasser zu ermöglichen. Dazu wurde ein mehrteiliger Forschungsansatz gewählt, der sich auf Folgendes konzentriert: erstens die Entwicklung und Umsetzung von (mikroplastikreichen) fäkalen Verschmutzungen durch kommerzielle Schiffe und Boote und ihre Erkennung und Überwachung, zweitens die komplexen Wechselwirkungen und Co-Transportmechanismen zwischen pathogenen Organismen und Mikroplastikpartikeln und schließlich die detaillierte Untersuchung von Mikroplastik-Transportprozessen innerhalb des dynamischen Umfelds verschiedener Arten von Flussufersedimenten.In dieser Dissertation wird nach einer kurzen Einführung erstmals untersucht, wie Schiffe zur (mikroplastikreichen) fäkalen Verschmutzung von Flüssen beitragen, ein Problem, das oft übersehen wird. Wir haben einen neuartigen, integrierten Ansatz entwickelt, der drei Elemente kombiniert: die theoretische Erstellung von Fäkalienverschmutzungsprofilen (PSP) zum Vergleich von kommunalen und schiffsbedingten Abwässern, hochauflösende Felduntersuchungen mit kultivierungsbasierten Indikatoren und qPCR-basierten Markern zur Quellenverfolgung sowie statistische Analysen des Verschmutzungsgrads in Verbindung mit satellitengestützten Schiffsverfolgungsdaten (AIS). Wir haben diese Methodik auf einem 230 km langen Flussabschnitt der Donau in Österreich angewandt, was eine detaillierte Bewertung der Verschmutzung entlang des Flusses und in der Nähe von Anlegestellen ermöglichte. Die Ergebnisse zeigten, dass trotz des hohen lokalen Verschmutzungspotenzials die fäkale Verschmutzung durch Schiffe sowohl auf lokaler als auch auf regionaler Ebene nur minimale Auswirkungen hat, was auf die effektive Abwasserbehandlung auf Schiffen zurückzuführen ist. Es ist uns gelungen, die lokalisierten Emissionen bestimmten Schiffstypen (Kreuzfahrt-, Passagier- und Frachtschiffen) an einer Anlegestelle zuzuordnen. Diese neuartige Methode kann auf jeden Fluss mit Schiffsverfolgungsdaten angewandt werden und bietet ein wertvolles Instrument für eine gezielte Überwachung und ein evidenzbasiertes Wasserqualitätsmanagement.Eine weitere Arbeit galt der Untersuchung der kritischen Rolle von Mikroplastik bei der Erleichterung des Transports und des Überlebens von Krankheitserregern in der Umwelt. Mikroplastik, das aus Körperpflege- und Konsumgütern (PCCPs) stammt, gelangt in die Kanalisation und kann während der Abwasserbehandlung mit menschlichen Darmviren interagieren, wobei es persistente Aggregate bildet. Die Mechanismen, die die Wechselwirkungen zwischen Mikroplastik und Viren steuern, und ihre Auswirkungen auf das Überleben und den Co-Transport von Viren in Ufersedimenten wurden untersucht. Es wurden Batch-Experimente unter verschiedenen Temperaturbedingungen mit dem PRD1-Phagen (als Ersatz für pathogene Adenoviren) gemischt mit Mikroplastik durchgeführt. Außerdem wurde in Säulenexperimenten der Virustransport in gesättigtem Quarzsand untersucht. Mikroplastik wurde mittels Festphasenzytometrie quantifiziert, während Viren mittels qPCR und kulturbasierten Methoden analysiert wurden.Die dritte Studie befasste sich mit dem schnellen Abbau von Mikroplastik in Fragmente und deren Transportverhalten im Vergleich zu kugelförmigem Mikroplastik. Polystyrol-Mikrokugeln wurden mit Glasperlen physikalisch abgerieben, um eine Fragmentierung, wie sie in der Natur passiert, zu simulieren. Es wurden Säulenexperimente durchgeführt, um den Transport von fragmentiertem Mikroplastik (FMP ~1 μm Durchmesser) und kugelförmigem Mikroplastik (SMP ~1, 10 und 20 μm Durchmesser) durch natürlichen Kies (mittel und fein) und Quarzsand (grob und mittel) zu untersuchen.Das Verständnis des Mikroplastiktransports in Flussufersedimenten ist für die Bewertung der Risiken einer Grundwasserkontamination von entscheidender Bedeutung. Diese Dissertation zeigt, dass Größe und Form von Mikroplastik den Transport erheblich beeinflussen, wobei interessanterweise fragmentierte Partikel in sandigen Grundwasserleitern eine höhere Mobilität aufweisen als kugelförmige Partikel. Außerdem kann Mikroplastik als Transportmittel für Krankheitserreger dienen. In Anwesenheit von Mikroplastik zeigten die Co-Transportexperimente einen verstärkten Virustransport in Quarzsand, was Anlass zu Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Gesundheit gibt. In dieser Dissertation wird hervorgehoben, dass Mikroplastik aufgrund seiner Oberflächenladung die idealen Partikel ist, um den Transport von Krankheitserregern im Grundwasser zu fördern, und dass sie eine nicht zu unterschätzende Rolle bei der Übertragung von Viren durch Wasser und bei der Umweltverschmutzung spielen.

The world is facing a plastic pollution crisis, suffocating ecosystems, endangering biodiversity, and jeopardizing the health of our planet. Despite increasing awareness, the fact remains that plastic waste continues to flood the environment. Plastics persist indefinitely and degrade into smaller fragments known as microplastics. Microplastics have now infiltrated every corner of the planet, pervading ecosystems, the food chain, and even the human body. Microplastic pollution in rivers has emerged as a pressing environmental challenge. Riverbank filtration (RBF) along major rivers (e.g. River Danube) plays a crucial role in providing drinking water for millions. However, being highly dynamic, RBF systems are susceptible to contamination. Urban runoff and wastewater treatment plants (WWTPs) are well-known contributors to microplastics in rivers. However, commercial and recreational shipping also directly release high amounts of microplastics in rivers through the discharge of paint particles and grey water. Smaller microplastic particles (diameter < 20 μm) are more likely to be transported to aquifers through hyporheic exchange. These microplastics interact with pathogens and undergo further fragmentation, posing serious risks to groundwater contamination. However, the transport behavior of sub-micron-sized microplastics (diameter < 20 μm), particularly their shape and size and their aggregation with pathogens during aquifer passage, remains poorly understood. Therefore, this doctoral dissertation aims to address the critical environmental challenge of microplastic pollution and their potential threats to groundwater systems, with a three-pronged research approach focusing on: first, the development and implementation of (microplastic-rich) fecal pollution from commercial ships and vessels and their detection and monitoring, secondly, the complex interactions and co-transport mechanisms between pathogenic organisms and microplastic particles, and finally, the detailed examination of microplastic transport processes after degradation, within the dynamic environment of different types of riverbank sediments.In this dissertation, after a brief introduction, the first study investigated how ships contribute to (microplastic-rich) fecal pollution in rivers, a concern often overlooked. We developed a novel, integrated approach combining three elements: theoretical fecal pollution source profiling (PSP) to compare municipal and shipborne sewage, high-resolution field assessments using cultivation-based indicators and qPCR-based source tracking markers, and statistical analyses of pollution levels linked to satellite-based ship tracking (AIS) data. We applied this methodology to a 230 km river section of the Danube in Austria, enabling detailed pollution assessments along and across the river, especially near docking areas. The results showed that despite high local contamination potential, shipborne fecal pollution had minimal overall impact at both local and regional scales, due to effective sewage disposal practices. We successfully traced localized emissions to specific ship types (cruise, passenger, and freight) at a docking station. This novel methodology can be applied to any river with ship-tracking data, offering a valuable tool for focused monitoring and evidence-based water quality management.The second study explored the critical role of microplastics in facilitating pathogen transport and survival in the environment. Microplastics, originating from personal care and consumer products (PCCPs), enter sewage systems and can interact with human enteric viruses during wastewater treatment, forming persistent aggregates. The mechanisms governing microplastic-virus interactions and their impact on virus survival and co-transport in riverbank sediments were investigated. Batch experiments were conducted under varying temperature conditions using the PRD1 phage (a surrogate for adenovirus) mixed with microplastics. Furthermore, column experiments examined virus transport in saturated quartz sand. Microplastics were quantified using solid-phase cytometry, while viruses were analyzed via qPCR and culture-based methods.The third study focused on the rapid degradation of microplastics into fragments and their transport behavior compared to spherical microplastics. Polystyrene microspheres were physically abraded with glass beads to simulate fragmentation. Column experiments were conducted to examine the transport of fragmented microplastics (FMPs ~1 μm in diameter) and spherical microplastics (SMPs ~1, 10, and 20 μm in diameter) through natural gravel (medium and fine) and quartz sand (coarse and medium).Understanding microplastic transport in riverbank sediments is crucial for evaluating groundwater contamination risks. This dissertation highlights that microplastic size and shape significantly influence transport, with fragmented particles exhibiting higher mobility in sandy aquifers compared to spherical particles. Moreover, microplastics can act as vectors for pathogens. In the presence of microplastics, the co-transport experiments demonstrated enhanced virus transport in quartz sand, raising public health concerns. This dissertation emphasizes that microplastic surface charge makes them ideal particles for fostering pathogen transport in groundwater and their potential role in waterborne viral transmission and environmental contamination.