HEAVY METAL CONCENTRATIONS IN THE SEA SURFACE MICROLAYER AND 

ASSOCIATED NEUSTON IN NW MEDITERRANEAN WATERS 

S.W. Fowler*, E. Wyse, J.C. Miquel, B.Gasser, R. Cassi, S. Azemard & S. de Mora

IAEA Marine Environment laboratory, 4 Quai Antoine 1er, Principality of Monaco - * S.Fowler@iaea.org

Abstract 

Analyses of Barcelona and Banyuls-sur-mer coastal waters indicated that heavy metal concentrations were generally higher in the surface

microlayer (SML) than in the underlying waters. The highest concentrations of many metals in the SML were noted in one sample from

Barcelona that may have been in?uenced by the presence of oil slicks. The relatively elevated levels of metals such as Zn, Pb and Cu in

neuston from Barcelona are likely a re?ection of the high SML enrichment factors of these metals (Zn, 12X; Pb, 21X; Cu, 35X). 

Key words: metals, surface microlayer, neuston

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

196

Introduction

The sea surface microlayer (SML) plays a key role in material

transfers between the atmosphere and ocean (1). Furthermore, the

SML (i.e. top few hundred microns) is often enriched in trace metals

relative to the underlying waters, and therefore could lead to metal

enrichments in biota living in this layer (2); however, a general

understanding of the impact of anthropogenic activities on the sea

surface ecosystem is far from clear. For the Mediterranean, very little

information is available on trace element chemistry of the SML and

even fewer data exist on trace element concentrations in the neustonic

community inhabiting the SML. Therefore, within the EU-sponsored

AIRWIN project, selected heavy metals were measured in the SML,

subsurface waters (SSW) and associated neuston from two contrasting

sites that were considered as relatively “polluted” (Barcelona) and

“clean” (Banyuls sur Mer). 

Material and Methods

Sampling

SML samples were collected from the upper 40-50 µm using glass

plate and ultra clean techniques (2), and stored in acid-cleaned 250 ml

Te?on bottles. For collecting SSW, bottles were capped, immersed

~0.5 m below the surface, opened and re-capped under water.

Neuston was collected by towing a pre-cleaned neuston net 15 m

behind an in?atable rubber boat. Samples were carefully examined,

subsequently cleaned of detritus, and freeze-dried.

Analyses

Water samples were diluted 20X with milli-Q water and the

dilutions analysed directly for trace metals by high resolution ICP-MS

using a microconcentric nebulizer and a standard double-pass

condensing spray chamber (3). In addition to direct analysis, a

modified preconcentration method employing hydrated Chelex-100

resins was also used (4). CASS-4 seawater reference material was

analysed along with all samples as a check on the analytical accuracy. 

Weighed neuston was placed in Te?on vessels and digested in

concentrated HNO

3 

- HF for ~40 minutes at 200 °C. The samples

were brought to 50 mL volume with Milli-Q water and analysed by

ICP-MS. Standard reference materials were also analysed with each

run.

Results and discussion

In general, most metal concentrations in the SSW were quite

uniform at both sites (Table 1) except for one of the samples taken off

Barcelona that contained higher concentrations of nearly all the

metals, possibly a re?ection of the greater suspended particulate load

observed that day. Metal concentrations in the SML were generally

higher than in the SSW at both locations. Little variability was noted

between concentrations in the SML samples from Banyuls except

perhaps for Pb (4X). At Barcelona the variability among SML

concentrations was much greater due to the significantly higher metal

concentrations in one of the samples, possibly due to the presence of

surface oil slicks noted during that time. If that sample is not

considered, then metal concentrations in the SML from both locations

are quite similar. At Banyuls metal enrichments were not marked

except in the case of Pb and to some degree Cu. Likewise off

Barcelona, some metals showed little enrichment, e.g. Cr, Ni and Cd.

In contrast, the single SML sample associated with the slicks

displayed the highest enrichment factors, particularly for Cu, Pb and

Zn (Table 1). 

Information on metal concentrations in the Mediterranean SML is

extremely limited, therefore comparisons with other areas in the

region are difficult to make. The only published data are derived from

two SML samples collected with a nylon screen between mainland

France and Corsica in 1983 (5). SML values were 4800 ng l

-1

Cd and

2600 ng l

-1

Pb and, compared with SSW from 10 m depth (87 and 140

ng l

-1

of Cd and Pb), resulted in corresponding EFs of 55 and 19,

respectively. These SML concentrations were considerably higher

than those we measured except for Pb (4810 ng l

-1

) in the single

enriched sample from Barcelona. 

Table 1. Trace element concentrations* (ng l

-1

) in the surface microlayer

(SML) and subsurface waters (SSW), resulting SML enrichment factors

(EF), and mean trace element concentrations** in neuston (µg g

-1

dry) in

the northwestern Mediterranean.

*Range of 3 samples taken over 3 days at Barcelona and 2 days at

Banyuls.

**Average of 2 samples taken at Barcelona and 4 samples at Banyuls using

a 90 µm mesh net.

Following the same trend noted for the SML, neuston sampled off

Barcelona contained higher mean concentrations of Cr, Ni, Cu, Zn,

Cd and Pb than those from Banyuls (Table 1). Although simultaneous

sampling the subsurface plankton was not done, some insight into

possible metal enrichment in neuston can be gained by comparisons

with previously determined metal concentrations in subsurface

microplankton from this region (6). Such comparisons suggest that

neuston is enriched in Cr, Co, Ni and Pb whereas no clear trends in

enrichment were suggested for Cu, Zn, Ag and Cd. Although not

definitively tested here, it would appear there is a definite linkage

between the metal enrichment in the SML and the high levels

measured in neuston associated with it. 

References

1-Hardy, J.T., 1982. The sea surface microlayer: Biology, chemistry, and

anthropogenic enrichment. Prog. Oceanogr., 11: 307-328.

2-Hardy, J.T., Apts, C.W., Crecelius, E.A. and Bloom, N.S., 1985. Sea-

surface microlayer metals enrichments in an urban and rural bay. Estuar.,

Coast. Shelf Science, 20: 299-312.

3-Field, M. P., Cullen, J. T. and Sherrell, R. M., 1999. Direct

determination of 10 trace metals in 50 µL samples of coastal seawater

using desolvating micronebulization sector field ICP-MS. J. Anal. At.

Spectrom., 14: 1425-1431. 

4-Greenberg, R. R. and Kingston, H. M., 1982. Simultaneous

determination of twelve trace elements in estuarine and sea water using

pre-irradiation chromatography. J. Radioanal. Chem., 71(1-2): 147-167.

5-Migon, C. and Nicolas, E., 1998. The trace metal recycling component

in the north-western Mediterranean. Mar. Poll. Bull., 36(4): 273-277.

6-Fowler, S.W., 1986. Trace metal monitoring of pelagic organisms from

the open Mediterranean Sea. Environ. Monitor. Assess., 7(1): 59-78.