Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Occurrence of microplastic particles in marine mammals from German waters and improvement of sample storage

Ziel dieser Dissertation war es, interdisziplinäre Ansätze aus der Mikroplastik-Forschung zu kombinieren, um eine verlässliche Abschätzung über die potenzielle Exposition von Mikroplastik in marinen Säugetieren zu ermitteln. Denn bisher ist nur wenig über die Präsenz und die denkbaren gesundheitlichen Auswirkungen von Mikroplastikpartikeln im Organismus von Topprädatoren bekannt. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, wurden die folgenden zwei Aspekte verfolgt: i) die Verarbeitung der Proben muss kostengünstig und zeiteffizient sein und ii) das Risiko einer Sekundärkontamination muss so gering wie möglich gehalten werden. Daher wurde ein Protokoll zur Probenverarbeitung und -handhabung erstellt (Kapitel I). Dies wurde genutzt, um die Mikroplastikbelastung in Kotproben, sowie im Gastrointestinal Trakt (GIT) mariner Säugetiere aus der deutschen Nord- und Ostsee, zu erfassen (Kapitel I & II).

Das entwickelte Protokoll verbindet bereits etablierte Verfahren im Bereich der Nahrungsanalyse von Meeressäugern und Ansätze zur Isolierung und Identifizierung von Mikroplastikpartikeln aus verschiedenen biogenen Medien. Das auf einem Waschgang basierende Reinigungsverfahren führt innerhalb von 1,5 Stunden zu gereinigten biogenen Hartteilen, sowie synthetischen Partikeln (Mikroplastikfasern und –fragmente). Darüber hinaus wurde ein geringer Anteil an Fasern in prozessbegleitenden Blindfiltern (engl.: procedural blanks) nachgewiesen, was das geringe Risiko einer Sekundärkontamination bei der Probenhandhabung unterstreicht, so dass eine Überschätzung ausgeschlossen werden konnte.

Um Partikel zu identifizieren, die vermutlich synthetischen Ursprungs sind, wurde ein Entscheidungsbaum (engl.: decision tree) erstellt, dieser ist im Nachgang für eine Teilmenge (engl.: subset) anwendbar, um die Wahrscheinlichkeit eines synthetischen Ursprungs eines Partikels zu bewerten. Eine Polymeranalyse mittels µRaman- oder µFTIR-Spektroskopie ist kosten- und zeitintensiv, daher ist eine Vorselektion verdächtiger Partikel ratsam und erweist sich als effektives Werkzeug, wie in Kapitel I bestätigt wird (Chance auf korrekte Klassifizierung bei 90%). Darüber hinaus wurden in dieser Studie zwei weitere Resultate gewonnen: i) Es besteht ein (geringes) Kontaminationsrisiko durch die Verwendung von Plastikbeuteln für die Lagerung von Proben und ii) die Analyse von Partikeln mit einer Mindestgröße von 100 µm ist möglich, wenn es sich um Darm- oder Kotproben von Meeressäugern handelt. Beide Informationen fehlten bis heute.

Das etablierte Protokoll wurde genutzt, um erste Hinweise auf die Mikroplastikbelastung von Seehunden, Kegelrobben und Schweinswalen aus Nordsee und Ostsee zu geben. Sowohl in den Kotproben, als auch in den GIT Proben aller drei Arten sind Mikroplastikpartikel nachgewiesen worden. Besonders die Analyse der Schweinswalproben zeigte eine höhere Belastung in Individuen aus der Ostsee, im Gegensatz zu untersuchten Individuen aus der Nordsee, auf. Mittels µFT-Spektroskopie (Kapitel I) und µFT-IR (Kapitel II) konnten diverse Polymere wie z.B. Polyester, Polyethylen und Polypropylen und auch ein Farbchip (Auto- oder Schiffslack) identifiziert werden. Dementsprechend ist die Ausscheidung von Mikroplastik aus dem Säugetierorganismus bestätigt, impliziert jedoch eine Wiedereinführung von Mikroplastik in die Umwelt.

Dies ist die erste Studie, in der marine Säugertiere aus der Ostsee auf eine potentielle Mikroplastikbelastung hin untersucht worden sind. Zusätzlich zeichnet sich die Untersuchung an den Schweinswalen, durch eine retrospektive Analyse (2014 – 2018) unter Einbeziehung von Informationen zu Alter, Geschlecht und Gesundheitszustand der untersuchten Tiere aus. Eine Korrelation zwischen Erkrankungen des GIT (Gastritis und Enteritis), sowie des Befalls von Parasiten konnte auf makroskopischer Ebene nicht festgestellt werden. Allerdings scheint die erhöhte Aufnahme von Mikroplastikpartikeln in Individuen mit gutem oder moderatem Ernährungs- und Gesundheitszustand weitaus wahrscheinlicher, da sie höchstwahrscheinlich ungehindert und kontinuierlich Nahrung und damit Mikroplastik zu sich nehmen können (im Vergleich zu altersschwachen oder kranken Individuen). Dennoch konnten keine Korrelationen zwischen dem Alter, dem Geschlecht oder der jeweiligen Krankheitsbilder festgestellt werden.

Zusammenfassend unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit die Notwendigkeit eines verstärkten Monitorings von Meeressäugern und ihrer Exposition gegenüber Mikroplastik. Im Rahmen der Europäischen Meeresstrategie Rahmenrichtlinie kann sie als Basislinie für die Nord- und Ostsee genutzt werden, um Maßnahmen zur Einhaltung oder Erreichung eines guten Umweltzustandes (engl.: Good Environmental Status, GES), falls dieser noch nicht vorliegt.

This work aimed to combine interdisciplinary approaches from microplastic research in order to determine a reliable estimation on the potential exposure of microplastics in marine mammals. For so far, little is known about the presence and conceivable health effects of microplastic particles in the organism of top predators.
In order to obtain valuable results, the following two aspects were pursued: i) processing of the samples need to be affordable and time efficient, ii) the risk of secondary contamination has to be kept as low as possible. Thus, a protocol of sampled processing and handling was established (Chapter I) and utilised to assess the microplastic load in gastrointestinal tract and scat samples of marine mammals inhabiting the German North and Baltic Seas (Chapter I & II).
The developed protocol combines already established procedures in the field of diet analysis of marine mammals, and approaches to isolate and identify microplastic particles out of different biogenic media. The cleaning procedure based on a washing cycle and different detergents result in purified remains within 1.5 hour, which are narrowed down to biogenic hard parts and synthesised particles. Moreover, a low share of fibres was detected in procedural blank filters, which underlines a low risk of secondary contamination during sample handling, thus, an overestimation could be ruled out. To identify particles that are supposed to be of synthetic origin, a decision tree was established, which can subsequently be applied to a subset to evaluate the likelihood of a synthetic origin of a particle. Since, polymer identification measurements like μRaman or μFTIR spectroscopy are cost and time intensive, a pre-selection of suspected particles is advisable and turns out as effective tool as it is confirmed in Chapter I (chance of correct classification by 90%). Protective measures like wearing cotton lab coats and gloves, and processing the samples within a closed acrylic box, seems to be accountable for those results. Moreover, two additional outcomes were gained within this study: i) there is a low risk of contamination by using plastic bags for storing samples and ii) the analysis of particles in a size of at least 100 μm and larger is feasible if dealing with intestinal or scat samples of marine mammals. Until today, information on these two topics was scarce.


The established protocol was utilised to give first evidence in microplastic burden in harbour porpoises, harbour seals and grey seals inhabiting the North and Baltic Seas. Microplastic particles have been detected in the scat samples as well as in the GIT samples of all three species. In particular, the analysis of the harbour porpoise samples showed a higher microplastic burden in individuals from the Baltic Sea. Using μRaman and (Chapter I) and μFTIR spectroscopy (Chapter II), various polymer types such as polyester, polyethylene and polypropylene and also a paint chip (car or ship paint) could be identified. Accordingly, the egestion of microplastics out of the mammalian organism is confirmed, but also implies the reintroduction of microplastics back to environment.
This is the very first time that samples of marine mammals from the Baltic Sea have been investigated for potential microplastic burden. In addition, the study on harbour porpoises is characterised by a retrospective analysis (2014 – 2018) including information on age, sex and the health status of the examined individuals. A correlation between diseases of the GIT (gastritis and enteritis) or parasite infestation on a macroscopic level and microplastic occurrence could not be determined. However, the increased intake of microplastic particles seems far more likely in individuals with good or moderate nutritional and health status, as they are most likely to be able to feed unhindered and continuously on prey (compare to senile or diseased individuals) and thus an increased unintentional uptake of microplastics is assumable. Nevertheless, no correlations could be found between age, sex or the respective medical conditions.
In conclusion, the results of this thesis emphasise the need of an enhanced monitoring of marine mammals and its exposure to microplastics. It serves as a proposal for the needed baseline in microplastic monitoring in marine mammals in the North and Baltic Seas. This is a valuable approach to take measures for achieving Good Environmental Status (GES) within the European Marine Strategy Framework Directive (MSFD), if this state has not been reached.

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