Coastal pollution of aquatic systems: Literature review and experiments focusing on metal fate on estuaries

Abstract

Anthropocene is the current era in which human activities modify various environmental properties, which have implications for many coastal processes. Anthropogenic stressors increasingly affect coasts and push these environments to a new altered equilibrium state. However, monitoring such pollution is a challenging task because coastal systems are highly dynamic and integrate the physicochemical forces at work on freshwater bodies, estuaries and lagoons with the oceanographic characteristics of adjacent seas. The current thesis addresses pollution of coastal environments in a broad way, with special attention to the current and historic problematic of estuarine contamination by metals. Firstly, it introduces the chemical (e.g. metals, persistent organic pollutants, and emerging contaminants), physical (e.g. microplastics, sediment loads, temperature), and biological (e.g. microbiological contamination, invasive species) pervasive anthropogenic influence in coastal areas. This introductory chapter is followed by a discussion on the limitations towards holistic environmental health assessments that are imposed by the scarcity of tools and multidisciplinary approaches. At that juncture, we perform a deep investigation of metal fate and its effects in estuaries. The review of the scientific literature in the third chapter provides a transdisciplinary conceptual framework for the estuarine behaviour of metals and its impacts on fauna and flora. This comprehensive overview and conceptual model are further accompanied by an elaboration on empirical models, as well as discussion of data on metal behaviour under laboratory and field conditions. While our review postulates that most studies had observed a non- conservative behaviour of metals in estuaries, our data suggests that at local scale such phenomenon is greatly explained by a high metal mobilisation driven by biogeochemical gradients. In fact, our results demonstrate that iron mobilisation regulates the pollution levels of iron and potentially other metals in an intertidal area under strong anthropogenic influence. In summary, estuarine physicochemical gradients, biogeochemical processes, and organism physiology are jointly coordinating the fate and potential effects of metals in estuaries, and both realistic model approaches and attempts to postulate site-specific water quality criteria or water/sediment standards must consider such interactions.

Das Anthropocen ist das jetzige Zeitalter, in dem menschliche Aktivitäten zu Umweltveränderungen führen, die sich auch auf viele Küstenprozesse auswirken. Anthropogene Stressoren beeinflussen zunehmend Küsten und zwingen diese Ökosysteme in einen neuen veränderten Gleichgewichtszustand. Eine Überwachung dieser Verschmutzung ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da Küstensysteme sehr dynamisch sind und die physikalisch-chemischen Kräfte von Binnengewässern, Flussmündungen und Lagunen mit den ozeanografischen Prozessen der angrenzenden Meere verbinden. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit der Verschmutzung der Küstengebiete in einem breitgefächerten Ansatz. Sie beleuchtet hauptsächlich das noch ungelöste Problem der Ästuarverseuchung mit Metallen. Zum einen werden die chemischen (z.B. Metalle, persistente organische Schadstoffe, und “Emerging Contaminants“), physikalische (zum Beispiel Mikroplastik, Sedimentfrachten, Temperatur) und biologische (zum Beispiel mikrobiologische Kontamination, invasive Arten) anthropogenen durchdringen Einfluss in den Küstengebieten eingeführt. Diesem einleitenden Kapitel schliesst sich eine Diskussion an über die Grenzen für eine ganzheitliche Umweltgesundheitsuntersuchung, die durch den Mangel an Werkzeugen und multidisziplinäre Ansätze bedingt sind. In diesen Zusammenhang wird eine eingehende Untersuchung über das Schicksal von Metallen und ihre Auswirkungen in Ästuaren durchgeführt. Wir haben anhand der wissenschaftlichen Literatur einen transdisziplinären konzeptionellen Rahmen entwickelt für das Verhalten von Metallen in Mündungsgebieten und deren Auswirkungen auf die Fauna und Flora. Diese umfassende Übersicht und unser konzeptionelles Modell ergänzeten wir durch eine Abhandlung empirischer Modelle, sowie die Diskussion vorhandener Daten über das Verhalten von Metallen unter Labor- und Feldbedingungen. Während beispielsweise die meisten Veröffentlichungen ein nicht-konservatives Verhalten von Metallen in den Mündungen berichteten, legen unsere Daten nahe, dass ein solches Phänomen auf lokaler Skala als einer hohen Metall-Mobilisierung durch biogeochemische Gradienten erklärt werden kann. Wir konnten tatsächlich zeigen, dass die Eisen-Mobilisierung die Schadstoffbelastung reguliert von diesem und wahrscheinlich auch andere Metalle in einer stark antropogen beeinflußten Gezeitenzone. Insgesamt können wir also zeigen, dass physikalisch-chemische Gradienten, biogeochemische Prozesse und die Physiologie von Lebewesen gemeinsam das Schicksal und die möglichen Auswirkungen von Metallen in den Mündungen beeinflussen. Realistische Modellansätze und Festsetzungen ortsspezifischer Wasser-Qualität- Kriterien oder Wasser / Sediment-Standards müssen solche Interaktionen berücksichtigen.