Linking marine plastic debris quantities to entanglement rates: Development of a life cycle impact assessment ‘effect factor’based on species sensitivity

Abstract

Etter hvert som produksjon og bruk av plast fortsetter å vokse eksponentielt, øker også andelen «feilbehandlet avfall» som ender opp i naturen. En voksende forskningsgruppe har forsøkt å kvantifisere effekten av dette plastavfallet på levende organismer, spesielt i marine økosystemer hvor det har vist seg å samles i store mengder, selv i de fjerneste områdene av kloden. Selv om nødvendigheten av å forebygge forurensning og dempe virkninger fra denne skadelige sektoren har blitt tydelig for det større vitenskapelige samfunn, er det behov for mer innsats fra både offentlig og privat sektor for å møte denne enorme utfordringen. Livssyklusanalyse (LCA) er en anerkjent vitenskapelig metode for å kvantifisere disse miljøpåvirkningene og er egnet for å knytte plastproduksjon og anvendelse til negative effekter når det blir til avfall. Den 'verktøykasse' LCIAs for øyeblikket har tilgjengelig inneholder imidlertid urealistiske forutsetninger for plastprodukter. Videre mangler man gode målemetoder for indikatorer av plastavfall, samt for de marine økosystemene der det akkumuleres, som dermed begrenser hensiktsmessigheten og validiteten til resulterende LCA-rangeringer for plastprodukter. Denne avhandlingen identifiserer marine biota viklet inn i plastavfall som et mulig påvirkningsområde som kan anvendes for å identifisere en ny metode for karakterisering av feilhåndtert plastavfall i LCIA. En database med statistikk over antallet individer av en art og geografisk bestemte populasjoner som vikler seg inn i plastavfall er i denne oppgaven knyttet til varierende makroplastkonsentrasjoner fra en eksisterende modell. Plasttettheten hvor 50% av artene er påvirket av plastsvinnviklinger (EC50) anslått ved bruk av dose-responsmodellering, med antakelsen om et forhold mellom økningen i plastkonsentrasjoner, samt større rater av innviklinger. Dette fører til en sensitivitetsfordeling av arter som en effektfaktor for plastavfall-innviklinger avledet fra globale, regionale og artsbestemte kriterier. En globalt farlig konsentrasjon (HC50) av marint makroplastisk avfall er beregnet til ca. 7,6 kg per km2, et volum som 0,8% av verdenshavene beregnes for å nå over på nåværende tidspunkt. Den tilknyttede virkningsfaktoren ved denne farlige konsentrasjonen er 6,5 x 10-2 PAF.km2/kg, og øker til 3,9 x 10-2 PAF.km2/kg i marine områder med minimal tetthet av makroplastavfall. Sammenligning av sensitivitetsfordelingen av arter utviklet i denne avhandlingen med en effektfaktor utviklet i en tidligere LCA-modell demonstrerer en betydelig metodologisk forbedring i kvantifiseringen av virkningen plastavfall har på marint biologisk mangfold.

As production and use of plastic continues to grow exponentially, so does the share which becomes ‘mismanaged waste,’ ending up in the natural environment. A growing body of research has attempted to quantify the effects of anthropogenic debris on biota, especially in marine ecosystems where plastic waste has been found to accumulate in large quantities even in the most remote areas of the globe. While the necessity of preventing pollution and mitigating impacts from this harmful vector has become apparent to the larger scientific community, more responses are needed from both public and private sectors to answer this enormous challenge. Widely used by businesses and policy-makers to quantify environmental impacts, life cycle assessment (LCA) is well-suited to link plastic production and use to its impact when it becomes debris. However, the life cycle impact assessment (LCIA) ‘toolbox’ currently available includes unrealistic end-of-life assumptions for plastic products. Furthermore, LCIA lacks a proper indicator metric for plastic waste and the marine ecosystems where it accumulates, limiting the appropriateness and validity of resulting LCA rankings for plastic products. This thesis identifies marine biota entanglement in plastic waste as a first impact pathway to address in developing a methodology for mismanaged plastic waste characterization in LCIA. A compiled database of population and species-specific entanglement rates is linked to varying macroplastic densities from an existing model. Assuming a relationship between increasing plastic densities and greater rates of entanglement, the plastic density at which 50% of each modeled species is affected by debris entanglement is predicted using dose-response modeling. This leads to a species sensitivity distribution (SSD) from which “plastic debris entanglement effect factors” are derived at global, regional, and taxon scales. A global hazardous concentration (HC50) of marine macroplastic debris is predicted at approximately 7.6 kg per km2, a volume which 0.8% of world oceans are calculated to presently exceed. The associated plastic entanglement effect factor at this hazardous concentration is 6.5 x 10-2 PAF.km2/kg, increasing to 3.9 x 10-2 PAF.km2/kg in more pristine marine regions where few species are yet exposed to this threat above their tolerance threshold. Comparing the species sensitivity-based taxon-specific models to a previous “preliminary” effect factor approach to LCIA entanglement quantification demonstrates the improvement of the SSD methodology in characterizing the impacts of plastic waste on marine biodiversity.