Μελέτη της χημικής συμπεριφοράς και διακίνησης βαρέων μετάλλων και θρεπτικών συστατικών σε εκβολικά συστήματα επηρεαζόμενα από ανθρώπινες ρυπογόνες δραστηριότητες

Abstract

The main objective of this thesis was the comprehension of biogeochemical cycles that occur in river’s estuaries and continental margins in general, as it comprises a key role for the determination of anthropogenic impact and ability of estuaries to resist this impact without subjecting substantial demission. Asopos river estuary located in south Euvoikos gulf and Sperxios river estuary located in Maliakos gulf, were the research areas of this work. During the experimental procedure a series of simulating experiments took place using two properly modified 96-lt tanks. The tanks were equipped with electronic systems allowing the fine regulation of dissolved oxygen concentrations, temperature, water circulation and lightning conditions. The main purpose of these experiments was to study the role of the various forms of nutrients, metals and organic carbon in the biogeochemical cycles occurring during the dynamic balance between aqueous and solid phase, under gradually changing dissolved oxygen concentrations. The effects of anthropogenic pollution activities in the overall biogeochemical cycles were also investigated in a series of experiments under contaminated conditions of the aqueous phase, using mixtures of nutrients and heavy metals. The purpose of these experiments was to infer useful conclusions as to how dissolved oxygen concentration levels affect both natural and polluted systems. Also, for each of the research areas took place the laboratory simulation of a sedimentation event. The main goal of this experiment was to study the behavior of the resulted surficial sediment column in each case, in order to comprehend the overall dynamics of cycles controlling early diagenesis redox reactions and transport of dissolved and particulate matter between solid and aqueous phase. Results showed that even minor changes in the redox conditions have significant impact on the chemical behavior and relative concentrations of the various forms of nutrients, heavy metals and organic carbon between water column and sediment surface. Furthermore, the contamination of the system with nutrients and heavy metals caused extended benthic bacterial response resulting in the alteration of the surficial’s sediment biochemical identity, affecting also the overall dynamics of internal transport mechanisms for organic carbon, nutrients and heavy metals.

Σκοπό της παρούσας εργασίας αποτέλεσε η κατανόηση των βιογεωχημικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στις εκβολές των ποταμών και τις παράκτιες περιοχές γενικότερα, καθώς αποτελεί στοιχείο ουσιώδους σημασίας για τον προσδιορισμό τόσο της ανθρωπογενούς επίδρασης, όσο και της ικανότητας των εκβολικών συστημάτων να αντιστέκονται στην επίδραση αυτή χωρίς να υφίστανται ουσιαστική υποβάθμιση. Αντικείμενο μελέτης αποτέλεσαν το εκβολικό σύστημα του Σπερχειού ποταμού που βρίσκεται στο Μαλιακό κόλπο καθώς και το εκβολικό σύστημα του Βοιωτικού Ασωπού ποταμού που βρίσκεται στο Ν. Ευβοϊκό κόλπο. Στα πλαίσια της πειραματικής διαδικασίας πραγματοποιήθηκε σειρά πειραμάτων εργαστηριακής προσομοίωσης με τη χρήση δυο πρότυπων πειραματικών διατάξεων. Στόχος ήταν να κατανοηθεί ο ρόλος των διαφόρων μορφών του οργανικού άνθρακα, των θρεπτικών συστατικών και των μετάλλων της υγρής και της στερεάς φάσης στις διάφορες βιογεωχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά τη δυναμική ισορροπία του ιζήματος με την υπερκείμενη στήλη νερού, κάτω από μεταβαλλόμενες συνθήκες επιπέδου διαλυτού οξυγόνου της υδάτινης στήλης. Μελετήθηκε επίσης η συμπεριφορά των δυο υπό εξέταση συστημάτων σε συνθήκες τεχνητής ρύπανσης της υδατικής φάσης με μίγμα θρεπτικών συστατικών και μετάλλων, προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων στα εκβολικά περιβάλλοντα και τους βιογεωχημικούς κύκλους γενικότερα. Πραγματοποιήθηκε ακόμη στα πλαίσια ενός ξεχωριστού πειράματος για κάθε υπό εξέταση περιοχή η εργαστηριακή προσομοίωση ενός επεισοδίου ιζηματοαπόθεσης. Στόχος ήταν να μελετηθεί η ιδιαίτερη συμπεριφορά της προκύπτουσας στήλης ιζήματος (επιφανειακή στρωμάτωση ιζήματος) σε κάθε περίπτωση, καθώς και η σε βάθος χρόνου δυναμική των διεργασιών που καθορίζουν την εξέλιξη των οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων της πρώιμης διαγένεσης και των διαδικασιών μεταφοράς διαλυτού και σωματιδιακού υλικού μεταξύ του ιζήματος και της υπερκείμενης υδάτινης στήλης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ακόμη και ελάχιστες μεταβολές του επιπέδου διαλυτού οξυγόνου οδηγούν σε σημαντικές διαφοροποιήσεις της χημικής συμπεριφοράς και των σχετικών συγκεντρώσεων των διάφορων θρεπτικών συστατικών και μετάλλων μεταξύ υγρής και στερεάς φάσης. Ακόμη, η ρύπανση της υδατικής φάσης με μίγματα θρεπτικών συστατικών και μετάλλων επέφερε σημαντική μεταβολή της δυναμικής των βιογεωχημικών διεργασιών της βενθικής βακτηριακής κοινωνίας του «οικοσυστήματος», προκαλώντας αφενός τη σημαντική διαφοροποίηση της βιοχημικής ταυτότητας του επιφανειακού ιζήματος, επιδρώντας αφετέρου σημαντικά στους μηχανισμούς ανακυκλοφορίας του οργανικού άνθρακα, των θρεπτικών συστατικών και των μετάλλων μεταξύ του ιζήματος και της υπερκείμενης υδάτινης στήλης.