Sediment-Mediated Contaminants Dynamics: Mechanisms of Adsorption and Mobility of Organic and Inorganic Pollutants in Groundwater and Ocean Systems

Water quality degradation from inorganic and organic pollutants is among the major environmental challenges of the 21st century. Aquatic systems are not isolated reservoirs but coupled, reactive matrices where water and sediment continuously exchange contaminants. Sediments, once viewed as passive sinks, are now recognized as dynamic sources that control pollutant mobility, bioavailability, and persistence. Understanding these sediment–water interactions requires linking microscale geochemical processes to macroscale geological dynamics. This dissertation bridges these scales through two contrasting case studies: a continental aquifer in Northern Italy naturally enriched in arsenic, and the Japan Trench in the Northwest Pacific Ocean, a tectonically active hadal environment affected by anthropogenic pollution. Together, they reveal how geodynamic processes influence contaminant transport, accumulation, and remobilization across terrestrial and marine systems. In the Como aquifer, groundwater arsenic concentrations increase sharply with depth, from <10 µg/L in shallow zones to >250 µg/L below 100 m, due to both sediment properties and upwelling of mineralized fluids along tectonic faults. Laboratory experiments show that shallow sediments rich in Mn/Al (hydr)oxides strongly adsorb arsenic, while deeper fine-grained sediments with fewer reactive oxides exhibit limited retention capacity. Further tests highlight that dissolved organic carbon (DOC) enhances arsenic mobility in deep zones, whereas pH and ionic strength dominate in shallow layers. These results identify the combined influence of sediment reactivity and groundwater chemistry on arsenic behavior in tectonically influenced aquifers. The Japan Trench study extends this framework to the deep sea, showing that hadal sediments actively accumulate and redistribute pollutants such as PAHs, DDT metabolites, and trace metals. Geochemical evidence indicates that megathrust earthquakes trigger rapid downslope transport of contaminated material, linking coastal industrial sources directly to the deep-ocean floor. Thus, tectonic activity acts as a vector for global pollutant transfer and periodic remobilization. Overall, this work demonstrates that sediments are active regulators of contaminant fate in geodynamically active environments. By integrating geochemistry, hydrogeology, and marine science, it advances a unified framework for understanding and managing pollutant mobility across Earth’s dynamic aquatic systems.

La degradazione della qualità delle acque dovuto alla presenza di inquinanti inorganici e organici rappresenta una delle principali sfide ambientali del XXI secolo. I sistemi acquatici non sono serbatoi isolati, ma matrici reattive e interconnesse, in cui acqua e sedimento scambiano continuamente sostanze contaminanti. I sedimenti, un tempo considerati semplici depositi passivi, sono oggi riconosciuti come sorgenti dinamiche che controllano la mobilità, la biodisponibilità e la persistenza degli inquinanti. Comprendere queste interazioni acqua–sedimento richiede di collegare i processi geochimici a scala microscopica con le dinamiche geologiche a scala macroscopica. Questa ricerca costruisce tale connessione attraverso due diversi casi studio: un acquifero continentale dell’Italia settentrionale naturalmente arricchito in arsenico e la Fossa delle Marianne del Giappone (Japan Trench) nel Pacifico nord-occidentale, un ambiente oceanico profondo soggetto ad attività tettonica e all’accumulo di inquinanti antropici. Entrambi i casi mostrano come i processi geodinamici influenzino il trasporto, l’accumulo e la rimobilizzazione dei contaminanti nei sistemi terrestri e marini. Nell’acquifero di Como, le concentrazioni di arsenico aumentano nettamente con la profondità, da meno di 10 µg/L nelle zone superficiali a oltre 250 µg/L in quelle profonde, a causa sia delle proprietà dei sedimenti sia della risalita di fluidi mineralizzati lungo strutture tettoniche. Esperimenti di laboratorio mostrano che i sedimenti superficiali, ricchi di ossidi di Mn e Al, possiedono elevata capacità di adsorbimento, mentre quelli profondi, più fini e poveri in ossidi reattivi, trattengono poco arsenico. Ulteriori analisi evidenziano che il carbonio organico disciolto (DOC) favorisce la mobilità dell’arsenico nelle zone profonde, mentre pH e forza ionica sono determinanti in quelle superficiali. Lo studio della Japan Trench estende questa prospettiva all’ambiente marino profondo, dimostrando che i sedimenti hadali accumulano e ridistribuiscono attivamente inquinanti come IPA, metaboliti del DDT e metalli tossici. Le evidenze geochimiche indicano che eventi sismici di forte magnitudo provocano rapidi trasporti di materiale contaminato dalle aree costiere verso il fondo oceanico, agendo come vettori diretti della contaminazione globale. Nel complesso, questa tesi dimostra che i sedimenti sono regolatori attivi del destino degli inquinanti in ambienti geodinamicamente attivi. Integrando geochimica, idrogeologia e scienze marine, essa propone un quadro unificato per comprendere e gestire la mobilità dei contaminanti nei sistemi acquatici della Terra.