Investigating the link between microplastics and diet from pellets of European shags (Gulosus aristotelis)
Abstract
Plastforurensning er en voksende global trussel mot sjøfugl. Hvilke mengder og typer plast sjøfugler utsettes for avhenger av næringssøkadferd, habitat, levetid og elimineringsevne. Noen sjøfugler eliminerer ufordøyelige harde materialer fra byttet gjennom gulpeboller, der mikroplast er påvist. Denne oppgaven undersøkte tilstedeværelsen av mikroplast og fiskeotolitter i toppskarv (Gulosus aristotelis) på Sklinna. Sklinna (65°12’N, 10°58’E), en øy i Midt-Norge hvor plast er påvist. Toppskarv er en fisketende, jaktdykkende sjøfugl, hvor eksponeringen for mikroplast kan være gjennom sekundær inntak fra dietten deres fra fisk. En av de største toppskarvbestandene finnes på Sklinna, der Norge har et ansvar for å overvåke bestanden.
For å avdekke kunnskap om tilstedeværelsen av mikroplast og diett, hadde denne oppgaven som mål å avgjøre om mikroplast var tilstede i gulpeboller. Potensiell mikroplast ble karakterisert etter form, farge og størrelse. Otolitter ble brukt til å identifisere arten og aldersklassen av fisken som ble konsumert. Sammenhenger mellom fiskealder og mikroplast ble undersøkt.
To pilotstudier ble gjennomført på laboratoriet. Pilot 1 vurderte gjenfinningen av spiked gulpeboller med plast fra Sklinna. Den andre piloten inkluderte kjente og blinde spiked prøver. Gjennfinningsgraden av plasten godkjente metoden for hovedstudiet. Den endelige laboratorieprotokollen inkluderte inkubasjon i ultrarent vann, fjerning av otolitter, inkubasjon i KOH (10%) og filtrering av gulpeboller gjennom metallfiltre. Grenseverdien for mikroplast var 100 μm. Otolittene ble analysert ved å ta bilder med et Zeiss-AXIO zoom mikroskop og analysert med ShapeR-pakken. En random forest modell ble utviklet for forutsi den konsumerte fisken fra otolittene.
Hovedstudien analyserte 60 prøver (48 gulpeboller, 6 feltblanks og 6 laboratorieblanks), som inneholdt 4068 otolitter. Fra visuell inspeksjon ble 158 potensielle partikler karakterisert. De fleste partiklene var fibre (n = 134), svart (n = 68), blå (n = 25) eller hvit (n = 23) innenfor lengdeområdet 1000-1999 μm (n = 56). Det ble ikke funnet mikroplast i felt eller laboratorieblanks. Det var et tap på 35 partikler fra de første 158 partiklene fra håndtering. Mikroplast ble bekreftet ved å behandle de resterende 124 potensielle partiklene gjennom Fourier Transform Infrarød spektrometri. De ti mikroplastene som ble funnet i denne oppgaven var i gjennomsnitt 2540 x 132 μm. Disse mikroplastene besto av åtte fibre, en film og ett fragment som var svart, blå eller hvit. Polymerene var 4 polypropylen, 2 polyetylen, 2 poly(etylentereftalat) og 2 polyamid partikkler. Det ble observert at tyngre gulpeboller generelt inneholdt færre otolitter av større fisk (Spearmans rangkorrelasjon, p = 0,0064). Otolittanalyse undersøkte et underutvalg av gulpeboller med og uten mikroplast med 1309 otolitter. Sei i aldersklasse 0 var den mest konsumerte fiskearten. Det ble ikke funnet signifikans mellom fiskealdersklasser og fiskearter i prøver med og uten mikroplast fra en kvasibinomisk generalisert lineær modell.
Resultatene fra denne oppgaven indikerer at innsamling av gulpeboller kan bli et egnet og minimalt invasiv tilnærming for å overvåke mikroplast og diett hos sjøfugl. Analyse av gulpebollene er begrenset til sjøfugler som produserer dem. Denne oppgaven avdekket formen, størrelsen, fargen og polymeren til de påviste mikroplast i gulpebollene fra toppskarv. Noe som indikerer at toppskarvene på den Sklinna også er utsatt for mikroplast. Dietten til toppskarven på Sklinna ble for første gang analysert ved hjelp av bildeanalyse. Plastic pollution is an emerging global threat towards seabirds. The quantities and types of plastics seabirds are exposed to depend on their foraging mode, feeding range, life span and excretion ability. Some seabirds eliminate indigestible food items as pellets, where microplastics have been detected. This thesis investigated the presence of microplastics and fish otoliths in European shag (Gulosus aristotelis, hereafter shag) pellets from Sklinna (65°12’N, 10°58’E), a remote island in Central Norway where plastics have been detected. The shag is a piscivorous, pursuit-diving seabird, where the exposure to microplastics could be through secondary ingestion from its diet, consisting largely of fish. One of the largest shag populations is found on Sklinna, where Norway holds a responsibility to monitor the population.
To uncover knowledge about microplastic presence and diet, this thesis aimed to determine if microplastics were present in shag pellets. Characterize the shape, colour and size of potential microplastics. Otoliths identified the species and age class of the fish consumed. Connections between fish age and microplastics were investigated.
Two pilot studies were conducted in the lab. Pilot 1 assessed the recovery of spiking pellets with plastics from Sklinna. The second pilot included known and blind spiked samples. The recovery rates approved the method for the main study. The final lab protocol included incubation in ultrapure water, removing otoliths, incubation in KOH (10%) and filtering the pellets through metal filters. The cut-off for microplastics was 100µm. The otoliths were analysed by taking images with a Zeiss-AXIO Zoom microscope and analysed using the ShapeR package. A random forest model was developed to predict the unknown otoliths in the pellets.
The main study analysed 60 samples (48 pellets, 6 field blanks and 6 lab blanks), which contained 4068 otoliths. From visual inspection, 158 potential particles were characterized. Most particles were fibers (n = 134), black (n = 68), blue (n = 25) or white (n= 23) within the length range of 1000-1999µm (n = 56). No microplastics were found in the field or lab blanks. There was a loss of 35 particles from the initial 158 particles during handling. Microplastics were confirmed by processing the remaining 124 potential particles through Fourier Transform Infrared spectrometry. The ten microplastics found in this thesis were on average 2540 x 132 µm. These microplastics were eight fibers, one film and one fragment that were black, blue or white. The polymers were 4 Polypropylene, 2 Polyethylene, 2 Poly(ethylene terephthalate) and 2 Polyamide. It was observed that heavier pellets generally contained fewer otoliths of larger fish (Spearman's rank correlation, p = 0.0064). Otolith analysis investigated a subsample of pellets with and without microplastics with 1309 otoliths. Saithe in age class 0 was the main consumed fish species. No significance was found between fish age classes and species in samples with or without microplastics from a quasibinomial generalized linear model.
The results of this thesis indicate that pellet collection could become a suitable minimally invasive approach to monitor microplastics and diet in seabirds. Pellet analysis is limited to seabirds that produce them. This thesis uncovered the shape, size, colour and polymer of the detected microplastics in the shag pellets. Indicating that the shags on the remote archipelago of Sklinna are also exposed to microplastics. The diet for the shags on Sklinna was for the first time analysed using image processing.