Environmental assessment of marine sediments in the N. Saronikos Gulf, Salamina Straits

Abstract

Saronikos Gulf is the marine area in Greece, encountering the most considerable environmental challenges due to heavy metal contamination, caused by urbanization and industrialization, making it the most studied area in the country, on environmental terms over the past 50 years. In the 1rst chapter, research articles focusing on the levels, patterns, and origins of heavy metals in the gulfs’ marine sediments were gathered to review the status of heavy metal pollution, set background values, summarizing the analytical methods used. The geographic information system (GIS) technique was also used to chartography sampling locations per decade of collected data and the ecological status of the area was estimated by the Pollution Loading Index (PLI), the Potential and Ecological Risk Index (PERI) and Human Health Risk Assessment (HHRA) indices analyzing the previously collected data. Systematic review revealed that Saronikos Gulf was mostly studied in specific regions due to point sources existence. The severe contamination of heavy metals and organic carbon since the early 70s is closely associated with local economic development. Additionally, the re-assessment of the data referenced in the literature permitted their integrative comparisons that would be helpful in the management and sustainable development of the Saronikos gulf (Gkaragkouni et al., 2025 under submission). Additionally, nine (9) sediment cores were retrieved in the most burdened narrow straits of Inner Saronikos Gulf connecting Elefsina bay and the outer Gulf: Psyttalia -Keratsini and Perama – Salamina Straits. In chapter 2 the two study areas are being described (Psyttalia – Keratsini) and (Perama – Salamina) and the employed materials and methods are also presented. Given the fact that the central sewer of Athens had been discharging untreated sewage from 1950 until 1995 in the marine area between the island of Psyttalia and Keratsini, the surficial layer of organic mud that was formed covering the seafloor, was thoroughly investigated. To assess the spatial and temporal distribution of metal contaminants in the area, six sediment cores were collected and analyzed for grain composition, organic carbon content (Corg), and metal concentrations. ICP- MS and AAS were used to determine the following metal concentrations: Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, Cr, Pb, Ni, Fe, As, Mn, and Co (Chapter 3). Four different lithofacies were identified based on grain size and macroscopic observations. The contamination of the sediments was assessed according to Enrichment factor (EF), Geo-accumulation Index (Igeo), and Pollution Loading Index (PLI), the latter was used to assess the overall toxicity status of the sediments. Factor analysis was also performed in the heavy metal, Corg, and Ca datasets. R-mode factor analysis indicates at least three different pollution sources in the area, while Q-mode analysis indicates three different groups of sediment samples according to their pollution degree (Gkaragkouni et al., 2021). In chapter 4 the levels and depth distributions of the natural radionuclides 238U, 232Th, 226Ra, 40K and the man-made 137Cs were analyzed by γ-ray spectrometry, while the concentrations of 26 chemical elements were measured by INAA in sediment samples collected from the organic mud layer that covers the Keratsini–Psyttalia strait. The average activity concentration values of 226Ra, 232Th and 40K were lower, whereas that of 238U was comparable to the average Greek and world values. The elemental contamination of the sediments was estimated based on the calculated EF values. The results revealed high EF values of As, Br, Cr, Ni, Sb, Se, Zn ranging from 160 for Br to 10 for Cr, whose main sources are probable related to contaminated sewage outfall from the area of Athens and the Piraeus Port (Papaefthymiou et al., 2017). In Chapter 5 the three marine sediment cores derived in the area between Perama (Attica) and the island of Salamina, were studied in terms of lithology, organic carbon content and heavy metal concentrations, aiming to address potential pollution loads. Statistical analysis, combined with 210Pb sediment dating, was used to investigate pollution sources through time. Ecological risk assessment was based on the Enrichment Factor, Geoaccumulation Index, Pollution Loading Index, mean Effect Range Median quotient and Potential ecological Risk Index indices. Results revealed that the upper 40 cm sediment layer experience contamination in the following metals: Ag, As, Cd, Cu, Ni, Pb, Sn and Zn, deposited during the past 65 years approximately, under high sedimentation rates and from different metal sources. A slight reduction trend of the heavy metal accumulation into the study area is noted for the most recent years (Gkaragkouni et al., 2024). In the last Chapter (six) the summary and synthesis of the present thesis is presented

Ο Σαρωνικός Κόλπος είναι η θαλάσσια περιοχή της Ελλάδας, που αντιμετωπίζει τις πιο σημαντικές περιβαλλοντικές προκλήσεις λόγω της μόλυνσης από βαρέα μέταλλα, που προκαλείται από την αστικοποίηση και την εκβιομηχάνιση, καθιστώντας τον την πιο μελετημένη περιοχή της χώρας, από περιβαλλοντικούς όρους τα τελευταία 50 χρόνια. Στο 1ο κεφάλαιο, συγκεντρώθηκαν ερευνητικά άρθρα που επικεντρώνονται στα επίπεδα, τα πρότυπα και την προέλευση των βαρέων μετάλλων στα θαλάσσια ιζήματα των κόλπων για να αναθεωρηθεί η κατάσταση της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα, να τεθούν τιμές ιστορικού, συνοψίζοντας τις αναλυτικές μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν. Η τεχνική του συστήματος γεωγραφικών πληροφοριών (GIS) χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη χαρτογράφηση τοποθεσιών δειγματοληψίας ανά δεκαετία συλλεγόμενων δεδομένων και η οικολογική κατάσταση της περιοχής εκτιμήθηκε από τους δείκτες Φορτίου Ρύπανσης (PLI), Πιθανού Οικολογικού κινδύνου (PERI) και του Ανθρώπινου Δείκτη για την Υγεία (HHRA) χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τις προηγούμενες μελέτες. Η συστηματική ανασκόπηση αποκάλυψε ότι ο Σαρωνικός Κόλπος μελετήθηκε κυρίως σε συγκεκριμένες περιοχές λόγω της ύπαρξης σημειακών πηγών. Η σοβαρή μόλυνση των βαρέων μετάλλων και του οργανικού άνθρακα από τις αρχές της δεκαετίας του '70 συνδέεται στενά με την τοπική οικονομική ανάπτυξη. Επιπλέον, η επαναξιολόγηση των δεδομένων που αναφέρονται στη βιβλιογραφία επέτρεψε τις ολοκληρωμένες συγκρίσεις τους που θα βοηθούσαν στη διαχείριση και τη βιώσιμη ανάπτυξη του Σαρωνικού κόλπου (Gkaragkouni et al., 2025 υπό υποβολή). Επιπρόσθετα, εννέα (9) πυρήνες ιζήματος συλλέχθηκαν στα πιο επιβαρυμένα στενά του Σαρωνικού κόλπου που συνδέουν τον κόλπο της Ελευσίνας με τον έξω κόλπο: Ψυττάλεια - Κερατσίνι και Πέραμα - Σαλαμίνα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφονται οι δύο περιοχές μελέτης (Ψυττάλεια – Κερατσίνι) και (Πέραμα – Σαλαμίνα) και παρουσιάζονται επίσης τα υλικά και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν. Δεδομένου του γεγονότος ότι ο κεντρικός αποχετευτικός αγωγός της Αθήνας από το 1950 έως το 1995 διοχέτευε ακατέργαστα λύματα στη θαλάσσια περιοχή μεταξύ της νήσου Ψυττάλειας και του Κερατσινίου, διερευνήθηκε διεξοδικά το επιφανειακό στρώμα οργανικής λάσπης που σχηματίστηκε καλύπτοντας τον πυθμένα της θάλασσας. Για την αξιολόγηση της χωρικής και χρονικής κατανομής των μεταλλικών ρύπων στην περιοχή, συλλέχθηκαν έξι πυρήνες ιζήματος και αναλύθηκαν για την κοκκομετρική σύσταση, την περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα (Corg) και τις συγκεντρώσεις μετάλλων. Τα ICP-MS και AAS χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των ακόλουθων συγκεντρώσεων μετάλλων: Cu, Zn, Mo, Ag, Cd, Cr, Pb, Ni, Fe, As, Mn και Co (Κεφάλαιο 3). Τέσσερεις διαφορετικές λιθοφάσεις διακρίθηκαν με βάση το μέγεθος των κόκκων και τις μακροσκοπικές παρατηρήσεις. Η μόλυνση των ιζημάτων αξιολογήθηκε σύμφωνα με τον παράγοντα εμπλουτισμού (EF), τον δείκτη γεωσυσσώρευσης (Igeo) και τον δείκτη φορτίου ρύπανσης (PLI), ο τελευταίος χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της συνολικής επιβάρυνσης των ιζημάτων. Η παραγοντική ανάλυση πραγματοποιήθηκε επίσης στα σύνολα δεδομένων βαρέων μετάλλων, Corg και Ca. Η ανάλυση παραγόντων R-mode δείχνει τουλάχιστον τρεις διαφορετικές πηγές ρύπανσης στην περιοχή, ενώ η ανάλυση Q-mode υποδεικνύει τρεις διαφορετικές ομάδες δειγμάτων ιζημάτων ανάλογα με το βαθμό ρύπανσης τους (Gkaragkouni et al., 2021). Στο κεφάλαιο 4, τα επίπεδα και οι κατανομές βάθους των φυσικών ραδιονουκλιδίων 238U, 232Th, 226Ra, 40K και του τεχνητού 137Cs αναλύθηκαν με φασματοσκοπία ακτίνων γ, ενώ οι συγκεντρώσεις 26 χημικών στοιχείων μετρήθηκαν με τη μέθοδο της Νετρονικής ενεργοποίησης σε δείγματα ιζημάτων που συλλέχθηκαν από το στρώμα οργανικής λάσπης μεταξύ της Ψυττάλειας και του Κερατσινίου. Οι μέσες τιμές συγκέντρωσης των 226Ra, 232Th και 40K ήταν χαμηλότερες, ενώ αυτές των 238U ήταν συγκρίσιμες με τις μέσες ελληνικές και παγκόσμιες τιμές. Η επιβάρυνση των ιζημάτων εκτιμήθηκε με βάση τις υπολογισμένες τιμές του βαθμού εμπλουτισμού EF. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν υψηλές τιμές EF των As, Br, Cr, Ni, Sb, Se, Zn που κυμαίνονται από 160 για το Br έως 10 για το Cr, των οποίων οι κύριες πηγές πιθανολογούνται ότι σχετίζονται με μολυσμένα λύματα από την περιοχή της Αθήνας και το λιμάνι του Πειραιά (Papaefthymiou et al., 2017). Στο Κεφάλαιο 5 οι τρεις θαλάσσιοι πυρήνες ιζημάτων που προέρχονται από την περιοχή μεταξύ Περάματος (Αττικής) και Σαλαμίνας, μελετήθηκαν ως προς τη λιθολογία, την περιεκτικότητα σε οργανικό άνθρακα και τις συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων, με στόχο την διερεύνηση πιθανής περιβαλλοντικής επιβάρυνσης. Στατιστική ανάλυση, σε συνδυασμό με χρονολόγηση ιζήματος 210 Pb, χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση των πηγών ρύπανσης διαχρονικά. Η αξιολόγηση οικολογικού κινδύνου βασίστηκε στους δείκτες του Συντελεστή Εμπλουτισμού, του Δείκτη Γεωσυσσώρευσης, του Δείκτη Ρύπανσης, του Οικοτοξικολογικού δείκτη Μέσου Εύρους Επιπτώσεων και του Δείκτη Δυνητικού Οικολογικού Κινδύνου. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι το ανώτερο στρώμα ιζήματος πάχους 40 cm παρουσιάζει επιβάρυνση στα ακόλουθα μέταλλα: Ag, As, Cd, Cu, Ni, Pb, Sn και Zn, που εναποτέθηκαν τα τελευταία 65 χρόνια περίπου, υπό υψηλούς ρυθμούς ιζηματογένεσης και από διαφορετικές πηγές μετάλλων. Τα πιο πρόσφατα αποτιθέμενα ιζήματα παρατηρείται μια ελαφρά τάση μείωσης της επιβάρυνσης βαρέων μετάλλων στην περιοχή μελέτης (Gkaragkouni et al., 2024). Στο τελευταίο Κεφάλαιο (έκτο) παρουσιάζεται η περίληψη και η σύνθεση της παρούσας διατριβής.