Determination of Mn, Ni, Cu, Zn, and Pb in Water Samples from the Coast of Mainland Tanzania and Zanzibar: A Baseline Study
Abstract
I denne avhandlingen har det blitt utført en baseline-studie av sporelementene mangan (Mn), nikkel(Ni), kobber (Cu), sink (Zn) og bly (Pb) i vann fra kysten av Tanzanias fastland og Zanzibar. Stud-ien er en del av prosjektet “Building Capacity to Crosslink Coastal Pollution with Climate ChangeBC5”, som er et samarbeid mellom Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU), Uni-versity of Ghana (UG), og University of Dar es Salaam i Tanzania. Det ble samlet vann- ogsedimentprøver fra fire lokasjoner i Tanzania: Dar es Salaam, Mtwara, Unguja (også kalt Zan-zibar) og Pemba. Totalt ble det samlet inn 103 vannprøver og 37 sedimentprøver fra 23 stasjoner.Det ble tatt to typer vannprøver, TTE (totalt sporelementinnhold) og DTE (oppløst sporelemen-tinnhold, filtrert gjennom filter med 0,2 μm porestørrelse). Vannprøvene ble enten fortynnet elleroppkonsentrert, avhengig av den forventede konsentrasjonen av sporelementene, og deretter ana-lysert med ICP-MS. De ble analysert for både oppløst og totalt innhold av Mn, Ni, Cu, Zn og Pb,samt for 56 andre sporelementer. Sedimentprøvene ble behandlet ved bruk av sekvensiell ekstrak-sjon, som muliggjør specieringsanalyse, som forberedelse til ICP-MS. Prinsipal komponentanalyseble utført for å bestemme likheter mellom prøvetakingsstasjonene, og Pearsons produkt-momentkorrelasjonskoeffisient ble beregnet for å vurdere korrelasjoner mellom elementene.
Resultatene viste at områder nær menneskelig aktivitet hadde svært forhøyede nivåer av alle femelementene i vann. Spesielt Dar es Salaam skilte seg ut fra resten, med de høyeste nivåene avalle elementer foruten kobber. Den partikulære fraksjonen dominerte generelt i de forurensedeområdene. Noen stasjoner, selv i ikke-forurensede områder, skilte seg fra de generelle referan-severdiene, men dette er forventet, da dette er en basline-studie, og sporelementnivåer kan varierebetydelig mellom ulike hav. I tillegg ble det utført prinsipal komponentanalyse, og det ble fastslåttat prøvetakningsstasjonene langt fra land hadde mange likheter, mens stasjonene nærmere landgrupperte seg sammen. Videre ble det sett at de fleste av de fem sporelementene korrelerte medet stort antall andre, noe som tyder på at forhøyede nivåer av forskjellige elementer forekommersammen. Dette betyr at områdene som er forurenset med sporelementer mest sannsynlig mottarforurensning fra en rekke ulike kilder samtidig. Kobber skilte seg ut fra resten av elementene, vedat dets laveste nivåer var i Dar es Salaam. Sink skilte seg også ut fra resten og hadde svært høyusikkerhet grunnet høy risiko for prøveforurensning. Problemer med kvantifisering av sink er bredtetablert, og resultatene må vurderes mer kritisk enn resten.
Sedimentprøvene kunne ikke analyseres i denne studien på grunn av problemer med ICP-MS-instrumentet. Den teoretiske bakgrunnen og metodikken for utarbeidelse av specieringsanalysenav disse prøvene er imidlertid fortsatt inkludert i denne oppgaven, da den siste analysen vil bliutført som en del av prosjektet på et senere tidspunkt. Derfor er forarbeidet fortsatt av interesse,og er viktig for å fullstendig forstå resultatene senere. Disse resultatene vil gi verdifull informasjonom konsentrasjonen og biotilgjengeligheten, og dermed den økologiske risikoen, av sporelementenei sedimentprøvene, noe som er svært verdifullt for prosjekt In this thesis a baseline study of the trace elements manganese (Mn), nickel (Ni), copper (Cu),zinc (Zn), and lead (Pb) in water has been conducted for the coast of mainland Tanzania andZanzibar. The study is part of the project “Building Capacity to Crosslink Coastal Pollutionwith Climate Change BC5”, which is a collaboration between the Norwegian University of Scienceand Technology (NTNU), the University of Ghana (UG), and the University of Dar es Salaam inTanzania. Water and sediment samples were collected at a total of four locations in Tanzania: Dares Salaam, Mtwara, Unguja (also called Zanzibar), and Pemba. A total of 103 water samples and 37sediment samples were collected at a total of 23 stations. Two types of water samples were collected,TTE (total acid leachable trace element) and DTE (dissolved trace element, passed through filterwith 0.2 μm pore size). The water samples were either diluted or preconcentrated, depending onthe expected concentration of trace elements, and subsequently analysed with ICP-MS. They wereanalysed for both dissolved and total acid leachable content of Mn, Ni, Cu, Zn, and Pb and 56 othertrace elements. The sediment samples were processed using sequential extraction, which allowsfor speciation analysis, in preparation for ICP-MS analysis. Principal component analysis (PCA)was conducted to determine similarities between sampling stations, and the Pearson correlationcoefficient was calculated to assess correlations between the elements.
It was found that areas close to human activity had severely elevated levels of all five elements inwater. Especially Dar es Salaam stood out from the rest, with the highest levels of all elementsexcept copper. The particulate fraction generally dominated in the polluted areas. Some stations,even in unpolluted areas, differed from the general reference values, but this is to be expected asthis is a baseline study, and trace element levels can vary significantly between different oceans.The PCA showed that the sampling stations far from shore were similar to each other, while thestations closer to shore grouped together. From the Pearson correlation coefficients it was foundthat most of the five trace elements correlated to several others, suggesting that elevated levelsco-occur. This means that the areas that are polluted with trace elements most likely receivepollution from a number of different sources simultaneously. Copper stood out from the rest of theelements, as its lowest levels were in Dar es Salaam. Zinc also stood out from the rest, displayinga very high uncertainty due to high risk of sample contamination. Problems with quantification ofzinc is widely established, and the results must be assessed more critically than the rest.
The sediment samples could not be analysed in this study due to issues with the ICP-MS instru-ment. However, the theoretical background and methodology for the preparations for speciationanalysis of these samples are still included in this thesis, as the final analysis will be conducted aspart of the project at a later time. Thus, the preparatory work is still of interest, and is importantto fully understand the results later on. These results will provide valuable information regardingthe concentration and bioavailability, and thus the ecological risk, of trace elements in the sedimentsamples, which is of great value for the project.