Integrated Assessment of Heavy Metal Concentrations and Current Pollution Status: A case study of Nworie River, Southeastern Nigeria

Technische Zusammenfassung: Integrierte Bewertung der Schwermetallkonzentrationen und des aktuellen Verschmutzungsstatus des Nworie-Flusses, Südost-Nigeria

Problemstellung
Der Nworie-Fluss, ein wichtiger Nebenfluss des Otamiri-Flusses in Owerri, Bundesstaat Imo, dient als kritische Wasserquelle für häusliche, landwirtschaftliche und rekreative Zwecke. Er ist jedoch einer erheblichen Umweltdegradation durch schnelle Urbanisierung, Bevölkerungswachstum und anthropogene Aktivitäten ausgesetzt. Zu den Hauptstressfaktoren gehören die Einleitung ungeklärter Abwässer aus Institutionen (z. B. Federal Medical Centre, Alvan Ikoku Federal College of Education), industrielle Abwässer und Hausmüll. Ein spezifisches im Studium hervorgehobenes Anliegen ist die Umweltauswirkung der jüngsten Baggerarbeiten, die von der Regierung des Bundesstaates Imo und der Niger Delta Development Commission (NDDC) durchgeführt wurden. Während diese zur Minderung von Eutrophierung und Sedimentation gedacht waren, beinhaltet der Baggerprozess die Entfernung und das am Ufer abgelagerte Entsorgen von Sedimenten und Vegetation, was zur Resuspension von Schadstoffen, Versauerung und der Freisetzung von Schwermetallen in die Wassersäule führen kann. Trotz früherer Studien (Mgbudem et al., Okere et al., Umunnakwe et al.), die die Qualität des Flusses bewerteten, ist eine kontinuierliche Überwachung erforderlich, um die dynamischen Veränderungen in der Schadstoffverteilung infolge zunehmender menschlicher Aktivitäten zu verfolgen.

Methodik
Die Studie wurde von Januar 2022 bis Januar 2023 durchgeführt und deckte sowohl die Trocken- als auch die Regenzeit ab. Wasseproben wurden monatlich an drei verschiedenen Stationen entlang des unteren Flussabschnitts entnommen:

1. Egbeada Bridge (Punkt 1): Oberstrom.
2. Umezuruike Hospital Bridge (Punkt 2): Mittlerstrom.
3. Akanchawa Bridge (Punkt 3): Unterstrom.

Proben wurden 10 cm unter der Oberfläche entnommen, mit 10 %iger Salpetersäure (HNO₃) angesäuert, bei 4 °C konserviert und mit Whatman No. 1 Papier gefiltert. Die Schwermetallanalyse erfolgte mittels Atomabsorptionsspektrophotometrie (AAS) nach USEPA-Standardmethoden, einschließlich Säureaufschluss mit konzentrierter HNO₃ und HCl.

Zur Bewertung des Verschmutzungsstatus verwendete die Studie einfache Verschmutzungsindizes:

• Kontaminationsfaktor (Cf): Berechnet als das Verhältnis der gemessenen Metallkonzentration zur Hintergrundkonzentration ($Cf = C_{Metall} / C_{Hintergrund}$).
• Ökologischer Risikofaktor (Er): Berechnet als das Produkt des toxischen Reaktionsfaktors ($Tr$) und des Kontaminationsfaktors ($Er = Tr \times Cf$).
• Ökologischer Risikoindex (ERI): Die Summe der einzelnen ökologischen Risikofaktoren zur Bewertung des kombinierten Risikos.

Die Daten wurden mittels Varianzanalyse (ANOVA) und Fishers LSD auf einem Signifikanzniveau von 0,05 % analysiert, wobei die Mittelwerttrennung mittels Studentized t-Tests über SAS-Software erfolgte.

Kernergebnisse

• Schwermetallkonzentrationen:
  • Blei (Pb) und Eisen (Fe): Die Konzentrationen überschritten die zulässigen Grenzwerte der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und des Federal Ministry of Environment (FMEnv). Die Studie stellte explizit fest, dass Blei (0,05 mg/l) und Eisen (0,71 mg/l) über dem Standardwert liegen, ein Zustand, der auf das herumliegende Baggergut entlang der Flussufer zurückgeführt wird. Messungen während der Trockenzeit bei Egbeada (Punkt 1) erreichten 0,082 mg/l für Blei, und die Eisenkonzentrationen lagen an den Punkten 2 und 3 über den Grenzwerten.
  • Quecksilber (Hg): Die Studie ergab, dass die Quecksilberkonzentrationen an allen Probenahmestellen in beiden Jahreszeiten den FMEnv-Grenzwert (0,001 mg/l) überschritten. Während das Abstract einen spezifischen Wert von 0,001 mg/l zusammenfasst, klärt der Ergebnisteil auf, dass gemessene Werte, wie etwa 0,021 mg/l bei Egbeada während der Trockenzeit, über dem Standard lagen. Infolgedessen verzeichnete Quecksilber während bestimmter Zeiträume und an bestimmten Orten, wie z. B. 0,60 Cf und 3,52 Er bei Umezuruike und Egbada während der Trockenzeit, den höchsten Kontaminationsfaktor (Cf) und ökologischen Risikofaktor (Er).
  • Cadmium (Cd), Chrom (Cr) und Arsen (As): Diese Metalle lagen unter dem WHO/FMEnv-Standard. Insbesondere Cadmium (0,014 mg/l) und Chrom (0,03 mg/l) wurden unter dem Standardwert gefunden.
  • Nickel (Ni): Wurde an den Ober- und Mittlerstromstationen während der Trockenzeit nicht nachgewiesen, wurde aber an der Unterstromstation (Punkt 3) innerhalb der zulässigen Grenzen nachgewiesen.
• Verschmutzungsindizes:
  • Quecksilber verzeichnete konsistent den höchsten Kontaminationsfaktor (Cf) und ökologischen Risikofaktor (Er) über alle Stationen und Jahreszeiten hinweg, was sein erhöhtes Risiko widerspiegelt, obwohl das Abstract einen spezifischen niedrigen Wert zusammenfasst. Beispielsweise betrug der Cf von Quecksilber in der Trockenzeit bei Umezuruike (Punkt 2) 0,60.
  • Chrom wies die niedrigsten Cf- und Er-Werte auf.
  • Trotz einiger niedriger Cf-Werte merkt die Studie an, dass diese Indizes stark von der gewählten Hintergrundkonzentration abhängen und nicht als vollständiges Fehlen eines Risikos interpretiert werden sollten.
• Zeitliche Trends:
  • Ein Vergleich mit historischen Daten (2010–2019) deutet auf eine Verschlechterung der Wasserqualität hin. Quecksilber, Arsen und Chrom, die in früheren Studien entweder nicht nachweisbar oder unter den Grenzwerten waren, wurden in der vorliegenden Studie nachgewiesen.
  • Die Bleikonzentrationen in der aktuellen Studie waren höher als die in früheren Studien berichteten Werte, wobei das Abstract anmerkt, dass sie über dem Standardwert gefunden wurden.
  • Die Eisenkonzentrationen überschritten die zulässigen Grenzwerte, wobei das Abstract einen Wert von 0,71 mg/l angibt, der über dem Standard liegt.

Kernbeiträge
Die Studie liefert eine aktualisierte Baseline der Schwermetallkonzentrationen im Nworie-Fluss und adressiert dabei spezifisch die Post-Bagger-Periode. Sie quantifiziert die räumlichen und saisonalen Variationen der Schadstoffe und identifiziert Quecksilber als den Stoff mit den höchsten ökologischen Risikofaktoren aufgrund seiner Toxizität und der erhöhten Konzentrationen, die die zulässigen Grenzwerte überschreiten. Die Forschung verknüpft spezifische anthropogene Aktivitäten – insbesondere die unsachgemäße Entsorgung von Baggermaterialien und das Vorhandensein verlassener Maschinen – mit erhöhten Mengen an Blei und Eisen, die über den Standards gefunden wurden. Darüber hinaus integriert sie historische Daten, um einen Trend sinkender Wasserqualität aufzuzeigen, den sie auf unzureichendes Abfallmanagement und die Umweltauswirkungen von Flussbauprojekten zurückführt.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren behaupten, dass der Nworie-Fluss „negativ nachteilig belastet“ ist, eine Schlussfolgerung, die durch physikochemische Parameter, Schwermetallindizes und die Phytoplanktonverteilung gestützt wird. Die Studie behauptet, dass die Ergebnisse die dringende Notwendigkeit einer regelmäßigen Überwachung und der Umsetzung von Maßnahmen zur Reduzierung der Kontaminationsraten und der illegalen Abfallentsorgung im Einzugsgebiet verdeutlichen. Die Autoren betonen, dass der Fluss zwar eine lebenswichtige Ressource bleibt, seine Qualität jedoch durch menschliche Aktivitäten beeinträchtigt wird, was eine strikte Durchsetzung von Umweltschutzgesetzen erfordert, um die unkontrollierte Entsorgung zu verhindern und belastende Aktivitäten (wie Werkstätten für Kfz-Mechanik und den Einsatz von Agrochemikalien) innerhalb des Einzugsgebiets des Flusses einzuschränken. Das Paper kommt zu dem Schluss, dass ohne Intervention die ökologischen Funktionen und die öffentliche Gesundheitssicherheit im Zusammenhang mit dem Fluss weiterhin degradiert werden.