Environmental assessment, documentation and spatial modeling of heavy metal pollution along the Jordan Gulf of Aqaba using coral reefs as environmental indicator

• Main Author: Al-Ouran, Nedal
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2005
• Subjects: Golf von Akaba; Schwermetallbelastung; Korallenriff; ddc:550
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/1191; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-14090; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-14090; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/1191/thesis.pdf

Two phases of reef sampling were carried out. The first included regular samples taken along the coastline of Aqaba (27km long) at depths of 4-15m, and used to determine spatial distribution of pollution. The second phase included three 20cm-deep cores obtained from within the industrial zone. These cores were drilled from pre-dated communities, where the growth rate was determined earlier to be 10mm y-1, therefore the core obtained represented a period of 20 years (i.e. 1980-2000). The cores were used to reconstruct the metal pollution history at the most heavily used site along the coast (industrial zone).All samples were examined with respect to their metal content of Cd, Pb, Cu, Zn, Ni, and Cr. Almost all of them have shown records above the calculated background values. Mean values of Cd, Pb, Cu, Zn, Ni and Cr recorded along the coast were 1,25; 4,26; 9,76; 11,40; 2,29 and 10,522, µg g-1 respectively, and for core samples 1.4; 4.2; 5.7; 6.4; 2.3 and 8.21 µg g-1 respectively. Spatial distribution of metal enrichment in reef samples have shown a general and clear increasing trend towards the south. Same increasing trend was also in core samples where the six metals have shown a prominent increasing trend towards the core surface indicating an increase of coastal activities during the last twenty years. High and relatively high values were recorded at the oil port, the industrial area and main port, and thus categorized as highly impacted areas. Intermediate metal content were recorded in samples of the north beach, and thus classified as being relatively impacted, where the lowest metal concentrations were observed at the marine reserve, the least impacted site along the coast. The high enrichment of metal is attributed mainly to anthropogenic impacts. The natural inputs of the six metals studied in the Gulf of Aqaba are generally very low, due to the geographic positions and the absence of wadi discharge and as a result of low rainfall. Several potential sources of heavy metals were investigated. The industrial-related activities, port operations and phosphate dust were among the main sources currently threatening the marine ecosystem in Aqaba. Applying the Principle Components Analysis method (PCA) to all samples taken along the coastline has resulted in categorizing three different groups according to their metal enrichment, the first is composed of samples taken from the north beach and the main port with intermediate to high enrichment, the second joined the samples of the marine park and the marine reserve with low and relatively low enrichment, and the last group joined samples of the industrial zone and the oil port with high enrichment. The Principle Component Scores were also utilized to confirm the spatial distribution and relationships of the examined heavy metals along the coast. Two models (interpolated by SURFER  7.0 and ArcView 3.2a) were developed, the first was based on the PC scores of the first component, and shows clearly the positive anomalies in metal concentrations along the coast. The second model was developed by plotting the second factor scores on a landuse map of Aqaba. According to these models, it has shown that the positive anomalies are associated with three different zones; industrial area, the main port and the oil port. The results have shown that coral reefs can be used as good environmental indicator for assessments and monitoring processes, and they can provide data and information on both the spatial distribution of pollution and their history. The present work is the first to document the environmental status along the whole coast of Aqaba and the first to use coral reef as a tool/ indicator. === Die Riff-Probenahmen wurden in zwei Phasen durchgeführt. Die erste Phase umfasste reguläre Proben, die entlang der Küste von Aqaba (27 km lang) in einer Tiefe von 4-15 m entnommen wurden, um die räumliche Verteilung der Verschmutzung zu bestimmen. Die zweite Phase umfasste drei 20 cm tiefe Bohrkerne, die im Bereich der Industriezone entnommen wurden, um die Geschichte der Metallverunreinigung in dem am stärksten betroffenen Bereich entlang der Küste (Industriezone) zu rekonstruieren. Diese Kerne wurden in bereits früher datierten Riff-Kommunen mit einer Wachstumsrate von 10 mm/Jahr gebohrt. Die in einem Kern erfasste Periode beträgt somit etwa 20 Jahre (d.h. 1980-2000). Alle Proben wurden auf den Metallgehalt von Cd, Pb, Cu, Zn, Ni und Cr geprüft. Fast alle Proben weisen Werte auf, die höher als die berechneten Hintergrundwerte liegen. Die verzeichneten Durchschnittswerte der regulären Proben entlang der Küste betrugen für Cd, Pb, Cu, Zn, Ni und Cr: 1,25; 4,26; 9,76; 11,40; 2,29 bzw. 10,522 µg g-1 und für die Kernproben betrugen die Werte: 1,4; 4,2; 5,7; 6,4; 2,3 bzw. 8,21 µg g-1. Die räumliche Verteilung der Metallanreicherung in den Riffen zeigt einen deutlich zunehmenden Trend in Richtung Süden. Der gleiche Trend findet sich auch in den Kernproben wieder, wobei die sechs Metalle zusätzlich auch einen deutlich zunehmenden Trend von unten nach oben aufweisen, und somitie die zunehmenden anthropogenen Aktivitäten im Küstenbereich während der letzten zwanzig Jahre anzeigen. Hohe und relativ hohe Werte wurden im Ölhafen, der Industriezone und im Haupthafen verzeichnet und somit als stark betroffene Bereiche eingestuft. Mittelmäßige Metallgehalte wurden in den Proben am Nordstrand ermittelt und somit als relativ betroffen klassifiziert. Die niedrigsten Metallkonzentrationen wurden im Bereich des Marineschutzgebietes beobachtet, das somit das am wenigsten betroffene Areal entlang der Küste darstellt. Die hohe Anreicherung der Metalle ist hauptsächlich auf anthropogene Einflüsse zurückzuführen. Der natürliche Eintrag in den Golf von Aqaba bei den sechs analysierten Metallen ist im Allgemeinen recht niedrig, aufgrund der geographischen Position, den kleinen Niederschlagsmengen und folglich auch der geringen Schuttzufuhr aus den Wadis. Verschiedene potentielle Herkunftsquellen der Schwermetalle wurden untersucht. Die industriebedingten Aktivitäten, Hafenbetrieb und Phosphatstaub konnten hierbei als Hauptverursacher der akuten Bedrohung für das Marine-Ecosystem in Aqaba erkannt werden. Eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) angewendet auf alle entlang der Küste entnommenen Proben ergab, dass sich drei verschiedene Gruppen in Abhängigkeit von der Metallanreicherung herausstellen lassen: die erste Gruppe umfasst Proben vom Nord-Strand und dem Haupthafen mit mittelmässiger und hoher Anreicherung, die Zweite enthält die Proben vom Marine-Park und dem Marineschutzgebiet mit niedriger und relativ niedriger Anreicherung, und die letzte Gruppe besteht aus den Proben der Industriezone und dem Ölhafen mit hoher Anreicherung. Die Hauptkomponentenwerte (Principle Component Scores; PCS) wurden auch verwendet, um die räumliche Verteilung und die Beziehungen der getesteten Schwermetalle entlang der Küste zu bestätigen. Es wurden zwei Modelle entwickelt (interpoliert mit SURFER ® 7,0 and Arc View ® 3.2a). Das erste Modell basierte auf den PCS der ersten Hauptkomponente und zeigt klare positive Anomalien der Metallkonzentrationen entlang der Küste. Das zweite Modell basiert auf den PCS der zweiten Hauptkomponente und ist in einer Karte im Zusammenhang mit der Landnutzung von Aqaba dargestellt. Danach zeigt sich ein deutlicher Zusammenhang der positiven Anomalien im Zusammenhang mit den drei verschiedenen Landnutzungszonen, nämlich dem industriellen Areal, dem Haupthafen und dem Ölhafen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Korallenriffe als Indikator für die Bewertung und überwachung von Umwelt prozessen eignet. Sie können Daten und Informationen, sowohl über die räumliche Verteilung von Umweltverschmutzungen, als auch über ihre Geschichte liefern. Die vorliegende Arbeit ist die erste ihrer Art, die das Korallenriff als Instrument und Indikator verwendet, um den Umweltstatus entlang der gesamten Küste von Aqaba zu dokumentieren.