Study of marine sedimentary deposits in hypoxic/anoxic environment of Amvrakikos Gulf

Abstract

The Amvrakikos Gulf is a semi-enclosed marine basin in western Greece. Its rich biodiversity and unique ecological features led to its designation as a wetland of international importance under the Ramsar Convention. Despite its significance, the gulf faces numerous challenges that have gradually degraded its water quality to critical levels, resulting in ongoing environmental degradation. Its unique geomorphology and oceanographic conditions make it a valuable case for understanding the onset, progression, and impacts of hypoxic and anoxic conditions in coastal semi-enclosed marine environments. Its restricted hydrodynamic regime, combined with significant freshwater inflow and anthropogenic interventions, has rendered it highly susceptible to oxygen depletion. This thesis investigates the environmental evolution of the Amvrakikos Gulf from the Mid-to Late Holocene up to the present day, with a particular focus on the development and expansion of bottom water hypoxia and anoxia, using a multi-proxy approach. Thirteen sediment cores were collected across various sub-basins of the gulf, including both short cores (<50 cm) for recent decades and long cores (>160 cm) for Holocene reconstructions. These cores were analyzed for benthic and planktonic foraminiferal assemblages, sediment grain size, total organic carbon (TOC), elemental geochemistry (ICP-MS), stable isotopes (δ¹³C, δ¹⁸O), and maceral analysis. Two environmental quality indices, Foram-AMBI and Foram Stress Index (FSI), were employed to assess ecological status over time. Radiometric dating techniques, including ¹⁴C and ²¹⁰Pb, were used to establish age-depth models and calculate sedimentation rates. The results highlight a strong temporal and spatial variability in the bottom water oxygenation of the Gulf. During the Mid- to Late Holocene, periods of intensified organic matter deposition and bottom water oxygen depletion were identified, particularly after 2.5 ka. These events were synchronous with known climatic humid periods and regional anthropogenic influences. The distribution of benthic foraminiferal taxa, notably the dominance of opportunistic species such as Ammonia tepida and Bulimina elongata, and intermittent azoic layers, provided robust evidence for recurring anoxic phases. Elemental ratios such as Sr/Ba, Fe/S and Ti/Ca, along with TOC values, further supported these interpretations. In recent decades (post-1960), hypoxia and anoxia have become increasingly severe and widespread. The short-core record reveals a dramatic deterioration in ecological conditions, particularly from the 1990s onwards. This deterioration coincides with anthropogenic activities, including dam constructions on the Arachthos and Louros rivers, intensive agricultural runoff, and rapid aquaculture development. Foraminiferal data from these periods indicate reduced diversity, elevated abundance of tolerant taxa, and more frequent azoic conditions. Notably, the most adverse environmental conditions for the total gulf occurred from 1990 to 2000 and from 2005 to 2010 coinciding with the recorded fish mortality events.Climatic data, including temperature and precipitation records, were also analyzed in relation to ecological proxies. In areas that are affected more by the Ionian water, the bottom environmental conditions tend to improve with decreases in temperature. In the rest of the gulf, the oxygen depletion of the bottom water layer is dependent on multiple causes such as organic matter input and surface salinity. The findings of this thesis underscore the vulnerability of semi-enclosed basins to oxygen stress and highlight the importance of multiproxy sediment analyses in reconstructing past marine conditions. The integration of multiproxy sediment analyses allows for a comprehensive perspective understanding of both natural and anthropogenic influences on marine hypoxia. Moreover, the case of Amvrakikos Gulf provides broader insights into the response of coastal systems to climate change and human pressures, with direct implications for environmental management, fisheries, and conservation policy in the Mediterranean and beyond.

Ο Αμβρακικός είναι ένας ημίκλειστος κόλπος που βρίσκεται στη Δυτική Ελλάδα. Παρά τη σπουδαιότητα του, δεν είναι λίγα τα προβλήματα που με την πάροδο των ετών έχουν φέρει την ποιότητα των υδάτων του σε ιδιαίτερα κρίσιμο σημείο, προκαλώντας έτσι τη συνεχή υποβάθμισή του. Η γεωμορφολογία και οι ωκεανογραφικές συνθήκες του τον καθιστούν ένα πολύτιμο παράδειγμα για την κατανόηση της εμφάνισης, της εξέλιξης και των επιπτώσεων των υποξικών και ανοξικών συνθηκών στα παράκτια ημίκλειστα θαλάσσια περιβάλλοντα. Το περιορισμένο υδροδυναμικό καθεστώς του, σε συνδυασμό με τη σημαντική εισροή γλυκού νερού από τα ποτάμια αλλά και τις ανθρωπογενείς διεργασίες, τον καθιστούν ιδιαίτερα ευάλωτο σε συνθήκες μείωσης και έλλειψης οξυγόνου. Η παρούσα διατριβή διερευνά την περιβαλλοντική εξέλιξη του Αμβρακικού Κόλπου από τα μέσα με τέλη του Ολοκαίνου έως σήμερα, με ιδιαίτερη έμφαση στην ανάπτυξη και επέκταση της υποξίας και της ανοξίας των πυθμιαίων υδάτων, χρησιμοποιώντας μια πολυπαραγοντική προσέγγιση. Δεκατρείς πυρήνες ιζημάτων συλλέχθηκαν συνολικά από τις επιμέρους υπολεκάνες του κόλπου, συμπεριλαμβανομένων μικρών πυρήνων (<50 cm) για τη μελέτη των πρόσφατων ιζημάτων, αλλά και μεγαλύτερων πυρήνων (>160 cm) για τη μελέτη ιζημάτων του Ολοκαίνου. Οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν στους πυρήνες περιλαμβάνουν μικροπαλαιοντολογικές αναλύσεις βενθικών και πλαγκτονικών τρηματοφόρων, κοκκομετρικές αναλύσεις, αναλύσεις οργανικού άνθρακα (TOC), στοιχειακή γεωχημεία (ICP-MS), σταθερά ισότοπα (δ¹³C, δ¹⁸O) αλλά και αναλύσεις maceral. Δείκτες τρηματοφόρων (Foram-AMBI, FSI) εφαρμόστηκαν για την αξιολόγηση της οικολογικής κατάστασης των πυθμιαίων νερών του κόλπου στο πέρασμα του χρόνου. Επιπλέον, ραδιοχρονολογήσεις (¹⁴C και ²¹⁰Pb) εφαρμόστηκαν για τη δημιουργία μοντέλων ηλικίας-βάθους και τον υπολογισμό των ρυθμών ιζηματογένεσης. Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν τις μεταβολές του πυθμιαίου οξυγόνου, τόσο χρονικά όσο και χωρικά στις επιμέρους υπολεκάνες του κόλπου. Από την περίοδο του Μέσου προς Άνω Ολοκαίνου έχουν εντοπιστεί περίοδοι με αύξηση του οργανικού υλικού και μείωσης του οξυγόνου στα πυθμιαία ύδατα, ιδίως τα τελευταία 2.500 χρόνια. Αυτά τα γεγονότα σχετίζονται με περιόδους που επικρατούν υγρές κλιματικές συνθήκες, αλλά και ανθρώπινη δραστηριότητα στην περιοχή. Η κυριαρχία των τρηματοφόρων Ammonia tepida και Bulimina elongata, τα οποία είναι ανθεκτικά στις περιβαλλοντικές διακυμάνσεις, αλλά και η παρουσία οριζόντων με απουσία οργανισμών (αζωικοί), παρέχουν ενδείξεις για ανοξικές περιόδους. Οι γεωχημικοί δείκτες Sr/Ba, Fe/S και Ti/Ca, μαζί με τις τιμές TOC, υποστηρίζουν περαιτέρω τις παραπάνω ερμηνείες.Τις τελευταίες δεκαετίες (1960-2010), η υποξία και η ανοξία έχουν ενταθεί αλλά και επεκταθεί στον Αμβρακικό κόλπο. Τα ιζήματα των μικρών πυρήνων παρουσιάζουν μια δραματική επιδείνωση των οικολογικών συνθηκών, ιδιαίτερα μετά από τη δεκαετία του 1990. Αυτή η επιδείνωση συμπίπτει με ανθρωπογενείς δραστηριότητες, όπως η κατασκευή φραγμάτων στους ποταμούς Άραχθο και Λούρο, η αύξηση των γεωργικών διεργασιών και η ταχεία ανάπτυξη των υδατοκαλλιεργειών. Τα τρηματοφόρα σε αυτές τις περιόδους παρουσιάζουν μειωμένη ποικιλότητα, αυξημένη αφθονία ανθεκτικών τρηματοφόρων αλλά και αζωικές συνθήκες. Αξίζει να σημειωθεί ότι oι πιο δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες για ολόκληρο τον κόλπο σημειώθηκαν από το 1990 έως το 2000 και από το 2005 έως το 2010, συμπίπτοντας με τα περιστατικά θνησιμότητας των ψαριών. Τα κλιματικά δεδομένα, ιδιαίτερα καταγραφές θερμοκρασίας και βροχόπτωσης, συσχετίστηκαν σε σχέση με οικολογικούς δείκτες. Σε περιοχές που επηρεάζονται από την είσοδο του νερού από το Ιόνιο, οι πυθμιαίες περιβαλλοντικές συνθήκες τείνουν να βελτιώνονται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Στο υπόλοιπο τμήμα του κόλπου, η μείωση του οξυγόνου στα βαθύτερα στρώματα της υδάτινης στήλης εξαρτάται από διάφορες αιτίες, όπως η εισροή οργανικής ύλης αλλά και η αλατότητα της επιφάνειας. Τα ευρήματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναδεικνύουν την αυξημένη ευαισθησία των ημίκλειστων θαλάσσιων λεκανών στις περιβαλλοντικές πιέσεις και ιδιαίτερα στη μείωση του οξυγόνου και τονίζουν τη σημασία των πολυπαραμετρικών ιζηματολογικών αναλύσεων για την ανακατασκευή του παλαιοπεριβάλλοντος. Επιπλέον, η περίπτωση του Αμβρακικού Κόλπου προσφέρει πολύτιμα δεδομένα για την κατανόηση της ανταπόκρισης των παράκτιων θαλάσσιων συστημάτων στην κλιματική αλλαγή και τις ανθρωπογενείς επιδράσεις, συμβάλλοντας στη διαμόρφωση στρατηγικών για τη βιώσιμη διαχείριση, την αλιευτική πολιτική και την προστασία του θαλάσσιου περιβάλλοντος στη Μεσόγειο αλλά και ευρύτερα.