Βιογεωχημικός κύκλος μεταλλικών στοιχείων στην Ανατολική Μεσόγειο και Μαύρη Θάλασσα.

Abstract

The present work is focused on the study of the biogeochemical cycles of major and trace metals in the Eastern Mediterranean and Black Sea. Atmospheric deposition (wet and dry) and aerosol samples were collected at background areas and urban locations in the Mediterranean and Black Sea, along with sediment trap samples at two different depths. Crustal originated elements (Al, Ca, Fe and Mn) were exclusively found in coarse particles (82-89%), while anthropogenic aerosol species (V, Cu, Cd and Pb) were associated with fine particles (59-70%). Simultaneous measurements of PM₁ and PM₁₀ can highlight natural contributions, since PM₁ is closely related to anthropogenic aerosol and thus better represent the anthropogenic particle fraction. During the warm season no significant difference in PM₁ between urban and natural locations was observed, highlighting the role of long-range transport. On the other hand local anthropogenic sources dominated during the cold season. Thus the seasonal variations for elements of anthropogenic origin presented maximum values during the heating period for urban cities, while during the warm period for natural background. Crustal originated elements denoted higher concentrations and larger variations associated with intense sporadic peaks of mineral dust during spring and autumn in the Eastern Mediterranean and Black Sea, whereas during spring and summer in the Western, when the air mass trajectories originated from remote regions. Mineral matter is the major component of PM₁₀ particles at both Western (22%) and Eastern Mediterranean Basin (38%). Crustal elements can account for 36-46% of total PM₁₀ mass in both sites in Athens, related to the frequent occurrence of Saharan dust transport to the Eastern Mediterranean and to dust resuspension due to vehicle circulation. Dust from local sources (mainly resuspension) contributed also significantly to the local PM₁₀ mass (up to 33%) and 3-4% in PM₁ particles. The role of atmospheric deposition was further examined based on the atmospheric and seawater fluxes of various anthropogenic and teriggenious elements in both the Eastern Mediterranean Basin and the Black Sea. Atmospheric deposition is sufficient to balance major and trace metals, in both particulate and soluble forms, to the seawater of the Eastern Mediterranean and Black Sea. For elements V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Cd and Pb atmospheric deposition supplied 67-158% of the fluxes measured in the water column of the Cretan Sea. Correspondingly, from the surface towards the deeper water layers of the Black Sea 43-226% and 38-179% of Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd and Pb fluxes were provided by wet and dry atmospheric deposition, demonstrating its predominant role as an external source of major and trace metals in the areas studied.

Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στη μελέτη του βιογεωχημικού κύκλου των μεταλλικών στοιχείων στην Ανατολική Μεσόγειο και τη Μαύρη Θάλασσα. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις μεταλλικών στοιχείων σε δείγματα υγρής, ξηρής εναπόθεσης και αερολυμάτων από περιοχές υποβάθρου και αστικά κέντρα στη Μεσόγειο και Μαύρη Θάλασσα, με στόχο τον προσδιορισμό της εποχικής και χωρικής διακύμανσής τους. Επιπλέον εξετάστηκε το γίγνεσθαί τους εντός της στήλης του νερού με τη χρήση ιζηματοπαγίδων. Τα μεταλλικά στοιχεία εδαφικής προέλευσης (Al, Ca, Fe και Mn) κατανέμονται στα αδρά σωματίδια (82-89%), ενώ στοιχεία που εκπέμπονται κατά κύριο λόγο από ανθρώπινες δραστηριότητες (V, Cu, Cd και Pb) απαντώνται στα λεπτά σωματίδια (59-70%). Οι ταυτόχρονες μετρήσεις σωματιδίων PM₁ και PM₁₀ παρέχουν πληροφορίες για τη συνεισφορά από φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές, με τα PM₁ να εκπροσωπούν καλύτερα το ανθρωπογενές κλάσμα των σωματιδίων. Κατά τη διάρκεια της θερμής περιόδου οι διαφορές των PM₁ σωματιδίων μεταξύ αστικών και φυσικών περιοχών ήταν ελάχιστες τονίζοντας τη σημασία της μεταφοράς αερίων μαζών από μακρινές αποστάσεις. Από την άλλη πλευρά οι τοπικές ανθρωπογενείς πηγές κυριαρχούν κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου. Ως εκ τούτου, τα μεταλλικά στοιχεία ανθρωπογενούς προέλευσης παρουσιάζουν εποχική διακύμανση με μέγιστα κατά την ψυχρή περίοδο για τις αστικές περιοχές, ενώ κατά τους θερινούς μήνες σε περιοχές υποβάθρου. Από την άλλη στοιχεία εδαφικής προέλευσης παρουσιάζουν εποχική διακύμανση με μέγιστα κατά την διάρκεια της άνοιξης και του φθινοπώρου στην Ανατολική Μεσόγειο και Μαύρη Θάλασσα και της άνοιξης και του καλοκαιριού στη Δυτική Μεσόγειο, γεγονός που σχετίζεται με τη συχνή εμφάνιση της μεταφοράς ορυκτής σκόνης από την έρημο Σαχάρα και τη Μέση Ανατολή. Στην ατμόσφαιρα της Μεσογείου η ορυκτή σκόνη αποτελεί το επικρατέστερο συστατικό σε ποσοστό 22% στη Δυτική και 38% στην Ανατολική στα PM¹⁰ σωματίδια (PM₂․₅: 8-14%). Στις δύο περιοχές της Αττικής η σκόνη αντιπροσωπεύει το 36-46% της συνολικής σωματιδιακής μάζας των PM₁₀ σωματιδίων, η οποία σχετίζεται με τη συχνή εμφάνιση της μεταφοράς της ορυκτής σκόνης από τη Σαχάρα κατά τη διάρκεια των μεταβατικών περιόδων και στην επαναιώρηση σκόνης από τοπικές πηγές (έως και 33% στα PM₁₀ και 3-4% στα PM₁). Τέλος, στην Κωνσταντινούπολη αποτελεί το 22% της ολικής σωματιδιακής μάζας των PM₁₀ σωματιδίων. Από τα δεδομένα της ατμοσφαιρικής και θαλάσσιας ροής των μετάλλων στην Ανατολική Μεσόγειο και Μαύρη Θάλασσα προκύπτουν συμπεράσματα σχετικά με τη σύζευξη ατμόσφαιρας και θαλάσσιων οικοσυστημάτων. Όπως διαπιστώθηκε, η ατμοσφαιρική εναπόθεση μεταλλικών στοιχείων, συμβάλει σε σημαντικό βαθμό στην κάλυψη των αναγκών των δυο θαλάσσιων οικοσυστημάτων. Συγκεκριμένα το ποσοστό των μετάλλων V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Cd και Pb που παρέχεται μέσω ατμοσφαιρικής εναπόθεσης ανέρχεται σε 67-158% της συνολικής ροής τους που μετρήθηκε στη στήλη του νερού του Κρητικού Πελάγους. Αντίστοιχα στη Μαύρη Θάλασσα η ατμοσφαιρική εναπόθεση των Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd και Pb παρέχει το 43-226% της θαλάσσιας ροής τους στην επιφανειακή ιζηματοπαγίδα και το 38-179% στην πυθμενική. Οι ανάγκες των θαλάσσιων οικοσυστημάτων υπερκαλύπτονται σε Cd στην περίπτωση της Ανατολικής Μεσογείου και Ti, V, Cr, Fe, Cu στη Μαύρη Θάλασσα. Ως εκ τούτου, είναι προφανές ότι η ατμοσφαιρική εναπόθεση ως εξωτερική πηγή παροχής θρεπτικών συστατικών και ιχνοστοιχείων στο υδάτινο οικοσύστημα της Ανατολικής Μεσογείου και Μαύρης Θάλασσας επαρκεί για να καλύψει τις απαιτήσεις τους στα περισσότερα από τα υπό μελέτη μεταλλικά στοιχεία.