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Paul Mehlhorn

• This thesis aims to investigate effects of anthropogenic environmental impact on the Richards Bay area. Located on the east coast of South Africa, Richards Bay Harbour evolved into the country’s premier bulk cargo port. The Associated change in land-use and industrial as well as agricultural pollution pose environmental, ecological and human health risks. Here, sedimentological and geochemical investigations focus on the port as final sink for environmental and industrial pollutants, such as metal concentrations, organochlorine pesticides and microplastics. The study is based on investigations of surface sediment samples from the water-sediment interface to identify spatial distribution patterns, as well as sediment cores to follow temporal changes. Endmember modelling of grainsize distributions, proved to be a viable parameter to distinguish different accumulation spaces and enabled the classification into six harbour sub-basins. Subsequent investigations on the content of microplastics, Polyethylene terephthalate (PET) and Low-density polyethylene (LDPE), showed that these different types of microplastics predominate in two different areas: PET appears to be directly tied to higher populated (tourism) beaches, while LDPE is deposited in low-current sub-basins. Increased metal concentrations link to activities at the bulk cargo berths, where especially Cr and Cu concentrations exceeded the local sediment guideline thresholds. In the areas of high metal concentrations, bioindicators (ostracods, foraminiferas, diatoms) also indicate increased shares of malformed specimens. Multiple recovered sediment cores recorded changes in recent export practices, indicating ceased Cu handling and increased Cr handling over the past decade. Noticing multiple possible influencing factors on elemental distributions, created by the surrounding geological and industrial impact, the usefulness of different normalisers (Al, Fe, Rb, Ti and silt fraction) for Cr, Cu, Co and Pb concentrations was compared and site specific baseline metal concentrations were defined. This identified Al and Rb to be effective normalisers in Richards Bay and Fe or Ti to be affected by local conditions. Data of organochlorine pesticide pollution was gathered in the area of Richards Bay, Goedertrouw Dam and Umlalazi River. The two dominant groups of contaminants detected are dichlorodiphenyltrichloroethanes (ΣDDT, 12 – 350 ng g-1), linked to the use of malaria vector control, and hexachlorocyclohexanes (ΣHCH 35 – 230 ng g-1), an agricultural insecticide. Both indicate recent entry and exceed sediment quality guideline limits, raising concern for local communities and estuarine environments. Seismic data was used to investigate the preindustrial evolution of the incised valley system and bayhead delta at Richards Bay Harbour. A stratigraphically supported development model was created. The thesis shows that harbour sediment is an important sink for inorganic and organic contaminants. Each investigation on environmental pollutants, such as metals, pesticides, microplastics or bioindicator analyses, indicates their deposition in distinct harbour sub-basins. Therefore, their effect can be spatially differentiated and related to plausible sources of pollution. Richards Bay thus represents a variously affected system along the South African coast, in which it is necessary to take environmental protection measures in terms of sustainable and environmentally friendly management.
• Der Hafen von Richards Bay liegt an der Ostküste Südafrikas und ist einer der größten und wichtigsten Umschlagspunkte für Massengüter des Landes. Der Fokus der vorliegenden Dissertation liegt auf dem Umwelteinfluss des Industriehafens sowie dessen Funktion als Senke für Umwelt- und Industrieschadstoffe (Metalle, chlororganische Pestizide, Mikroplastik). Anhand der Sedimentablagerungen innerhalb dieses Ökosystems werden die Auswirkungen sowie die räumliche und zeitliche Ausbreitung anthropogener Einflüsse untersucht. Das Fundament dieser Arbeit bilden sedimentologische sowie geochemische Analysen des Oberflächensediments, welche die Belastungssituation des Ablagerungsraumes beschreiben und aus denen räumliche Zusammenhänge herausgearbeitet werden. Mittels Endmember-Modellierung der Korngrößenverteilungen konnten sechs Teilbecken bzw. Akkumulationsräume innerhalb des Hafens klassifiziert werden. Die Verteilungen einzelner Metallgehalte zeigen besonders deren Anreicherung in der Umgebung der Umschlagsterminals für Massengüter. Insbesondere Cr- und Cu-Gehalte übersteigen in dieser Region die Grenzwerte der nationalen Maßnahmenliste zur Untersuchung von Baggermaterial zur marinen Entsorgung. Gleichermaßen werden die innerhalb dieser Arbeit errechneten hafenspezifischen Hintergrundwerte überschritten. Al und Rb erwiesen sich als geeignet zur Normalisierung der Metallgehalte in Richards Bay. Lokale geochemische oder hydrodynamische Einflussfaktoren bedingen die Elementverteilung von Fe oder Ti, welche somit nicht zur Normalisierung verwendet werden sollten. Multiproxy Analysen an Kurzkernen zeigen die Zunahme der Cr-Belastung sowie die Abnahme von Cu-Gehalten nach vorangehender Erhöhung. Damit korrelieren die Konzentrationsprofile in den Sedimentkernen mit dem Wechsel des Frachtgutes von Cu-haltiger Fracht hin zu der Verladung Cr-haltiger Fracht (Ferrochrom). Bioindikatoren (Ostrakoden, Foraminiferen, Diatomeen) zeigen an den Standorten hoher Metallkonzentrationen (insbesondere Cr, Cu und Co) eine erhöhte Tendenz zur Missbildung. Die Verteilungen von Mikroplastik, Polyethylenterephthalat (PET) und Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) sind durch zwei unterschiedliche Ablagerungsbereiche gekennzeichnet: die PET-Konzentration korreliert mit bevölkerungsreichen (touristischen) Gebieten, während LDPE in strömungsarmen Teilbecken abgelagert wird. Die Belastung durch chlororganische Pestizide in Richards Bay kann auf zwei dominante Schadstoffgruppen zurückgeführt werden. Zum einen auf erhöhte Gehalte von Dichlordiphenyltrichlorethan (ΣDDT, 12 – 350 ng g-1) welches rezent zur Bekämpfung von Malaria eingesetzt wird. Zum anderen wurden erhöhte Konzentrationen von Hexachlorcyclohexan (ΣHCH 35 – 230 ng g-1), Bestandteile eines in der Landwirtschaft genutzten Insektizids, gemessen. Das Vorkommen dieser Verbindungen und ihre Metaboliten-Verhältnisse lassen auf deren rezenten Eintrag schließen. Des Weiteren wurde anhand seismischer Daten die präindustrielle Talentwicklung und die Deltabildung innerhalb des Hafenbeckens rekonstruiert. Es konnte herausgestellt werden, dass die untersuchten Hafensedimente eine bedeutende Senke organischer und anorganischer Schadstoffe darstellen. Jede einzelne im Rahmen dieser Dissertation durchgeführte Untersuchung auf umweltrelevante Stoffe, wie Schwermetalle, Pestizide, Mikroplastik sowie die Analyse der Bioindikatoren zeigten eine Belastung des Untersuchungsgebietes durch den Industriehafen oder die damit verbundene Entwicklung des ländlichen Raumes. Zusätzlich konnten die jeweiligen Schadstoffe unterschiedlichen Teilbereichen des Hafens zugeordnet werden. Damit lassen sich die Verschmutzungen im Hafenbecken räumlich differenzieren und einer bestimmten Quelle zuordnen. Richards Bay stellt damit ein vielseitig belastetes und komplexes System dar. Zukünftig sollten zum Schutze von Umwelt und Bevölkerung zielgerichtete Maßnahmen ergriffen werden, um die Schadstoffbelastung zu verringern.