Summary

Summary
Among the most critical challenges facing global society to date is maintaining and improving the
environmental quality. Water resources protection and conservation remain untouched and extremely
challenging in developing countries, where Ethiopia is the case in point. This is because of the
intensification of the unwise use of aquatic ecosystems and the surrounding landscape as a result of hasty
population growth and low environmental awareness of the people. Managing river ecosystems requires a
well-designed and validated tool for their assessment and monitoring and to diagnose the causes of
degradation. Biomonitoring is very suitable to apply in developing countries because of its simplicity and
being relatively cheap. However, application of diatom based monitoring program at a national or
regional scale barely exists in most African countries. Therefore, the main objective of this research was
to introduce diatoms as bioindicators for river water quality assessment and monitoring in Ethiopia so that
it can be used as a decision support tool in aquatic resources management and restoration. It mainly
focuses on the development of methodological approaches on diatom autoecology and incorporating it for
the derivation of indices.
The study was conducted in parts of the three major river catchments of the Western Plateau of
Omo-Gibe and Blue Nile rivers, and extended to the rift valley escarpment of the Upper Awash river
basin. The rivers included in this study were chosen with the aim to reflect biological responses to
pollution of traditional and modern industrial, urban and agricultural derived origins in comparison to
minimal impacted streams in the Gera forest. We collected 174 samples of diatoms matched with
measured environmental variables from 64 rivers in two seasons (dry and wet). The dry and wet season
sampling was conducted in Omo-Gibe and Blue Nile river basins, whereas only a dry season sampling
was done in the Upper Awash basin.
A better understanding of the interactive effects of multiple stressors and indicators in the river
ecosystems is the major milestone to embark upon the deepening river pollution problems. Such scientific
knowledge will help to establish quantitative links between stressors and benthic diatom assemblages in
order to derive water quality monitoring tools. Therefore, we assessed diatom community abundance and
assemblage to major environmental gradients that largely influence the ecological integrity of the river
ecosystems. Multivariate statistical and ordination techniques were used to analyze the environmental
variables and species data along the pollution gradient. The results revealed that the changes of diatom
abundance and assemblages were a function of environmental variables associated with the changes of its
surroundings caused by land use patterns and seasonal changes. Nutrients (total nitrogen and total
phosphorus), five days biological oxygen demand (BOD5), dissolved oxygen and conductivity were found
to be the most important environmental variables dictating the diatom assemblage.
Prediction of species distributions and their responses to major environmental variables that
largely influence diatom assemblages is crucial to improve techniques of community analysis and to
optimize the utilization of indicator species in environmental quality assessments in the face of alarming
ecological damage. We demonstrated the use of non-parametric multiplicative regression (NPMR) model
to study the ecology of diatoms, mainly to estimate their response to single as well as multiple
environmental variables. The results revealed that NPMR is a powerful modeling technique to evaluate
accurately the species response to a single as well as multiple environmental descriptors. The hypothetical
hump-shaped species response has also been tested and validated that it works for diatoms.
Although there are several numerical techniques that can be applied to quantify diatom
autoecology, until recently, no clear methodological approaches are developed to estimate the indicator
power of a species given that survey data that contain both species and environmental variables. We
designed a statistical plausible approach (central tendency, variation and a pollutant criterion of 25 th
percentile) to categorize environmental descriptors into three major ecological conditions and estimated
the indicator power of the diatom species using the datasets by incorporating this statistical approach into
the Dufrêne and Legendre (1997) method. We verified whether or not the estimated indicator taxon value
fits with its response to that particular environmental variable using the NPMR model. It was proved that
this methodological approach is robust in estimating the indicator power of a species quantitatively and
precisely.
In recognition of the overriding importance of metrics for sound management practices of
ecosystem protection and restoration, we derived a metric for classifying the status of ecological quality
of Ethiopian rivers using the estimated indicator values and total indicator value method. The ecological
quality ratio developed for Ethiopian river systems (EQR(Eth)) was found to be a more powerful metric
than other global indices in identifying good quality headwater streams, and the urban, coffee processing
and agricultural derived pollution sources, which are the major factors affecting the ecological quality of
rivers in the study area. The EQR(Eth) also pointed out that pollution was more severe in the dry season
than the wet season. The sensitivity and robustness of the EQR(Eth) to identify environmental stressors
and to aid diagnosis of the cause of their impairment supports the use of this index for monitoring
ecological conditions of rivers of Ethiopia. This EQR(Eth) metric was significantly correlated with EUindices (Specific pollution sensitivity index (IPS), Biological diatom index (IBD) and Trophic Diatom
Index (TDI)) but the correlation was weak with diversity indices. It is well known that change in diatom
diversity does not always relate with change in water quality. The EU-diatom based indices were also
tested in Africa and the findings revealed that with a considerable compromise in the degree of accuracy
in identifying good quality of headwaters, these indices could be used to assess pollution.
This research clearly demonstrated the appropriate methodological approaches to derive diatom
based water quality monitoring tools from a regional survey dataset. However, it is far from complete in
that it lacks sufficient pristine rivers besides not incorporating all the environmental factors to fully
explore and study diatom ecology. This needs further collection of data and research exploring by
considering additional relevant environmental factors and adding more pristine rivers from the highlands
of Belete-Gera natural forest in Jimma zone and other regions of Ethiopia.
Based on our findings, river water pollution was found to be rampant in Ethiopia. Therefore,
urgent ameliorative action is required to restore the polluted and degraded rivers. Any action to restore
and manage river water quality should consider a catchment scale in a holistic approach and a broader
view in line with the principles of sustainable development.
Samenvatting
Eén van de meest belangrijke maatschappelijke uitdagingen is het onderhouden en verbeteren van
een kwaliteitsvolle omgeving. Bescherming en behoud van waterbronnen blijft veelal onaangeroerd en
zeer uitdagend in de ontwikkelingslanden, waaronder ook Ethiopië. Door de toenemende bevolkingsgroei
en het gebrek aan milieubewustzijn bij de mensen neemt ook onverstandig gebruik van aquatische
ecosystemen en het omringende landschap toe. Beter beheer van rivierecosystemen noodzaakt een goed
ontworpen en gevalideerde methode opdat onderzoek en monitoring een diagnose van de oorzaken van
degradatie mogelijk maken. Biomonitoring is een zeer geschikte methode in ontwikkelingslanden
omwille van zijn eenvoud en relatieve goedkoopheid. Diatomeeën-gebaseerde monitoringprogramma’s op
nationale of regionale schaal worden echter amper toegepast in de meeste Afrikaanse landen. Daarom was
hoofddoelstelling van dit onderzoek de introductie van diatomeeën als bioindicator voor
waterkwaliteitsonderzoek en monitoring van rivieren in Ethiopië, zodat het gebruik ervan kan dienen als
beslissings-ondersteunende methode in management en herstel van waterbronnen. Deze studie is
voornamelijk gefocust op de ontwikkeling van een methodologie op basis van de auto-ecologie van
diatomeeën en de erop gebaseerde afleiding van indices.
Deze studie werd uitgevoerd in delen van de valleien van de drie hoofdrivieren van het Western
Plateau van de rivieren Omo-Gibe en de Blauwe Nijl, en strekte zich uit tot de vallei van de bovenloop
van de rivier Awash. De rivieren die deel uitmaken van deze studie zijn gekozen met als doel het
weergeven van biologische responsen op vervuiling van zowel traditionele als moderne industriële,
stedelijke en agriculturele herkomst en deze te vergelijken met minimaal beïnvloede stromen in het
Gerawoud. We verzamelden 174 diatomeeënstalen samen met omgevingsvariabelen, van 64 rivieren in
twee seizoenen (droog en regenseizoen). Staalname in de rivierbassins van Omo-Gibe en de Blauwe Nijl
werd uitgevoerd in het droog seizoen en regenseizoen, terwijl die in het bassin van de bovenloop van de
Awash enkel in het droog seizoen gebeurde. Een beter begrip van de interactieve effecten van multipele
stressoren en indicatoren in rivierecosystemen is de voornaamste stap om de steeds groter wordende
vervuilings-problematiek van rivieren te bestuderen. Dergelijke wetenschappelijke kennis zal helpen om
kwantitatieve verbanden te leggen tussen stressoren en bentische diatomeeën-gemeenschappen met als
doel het ontwikkelen van monitoringsmethoden voor de waterkwaliteit. Daarom hebben we de abundantie
en samenstelling van de diatomeeëngemeenschap onderzocht in de belangrijkste milieugradiënten die
grotendeels
de
ecologische
integriteit
van
rivier-ecosystemen
beïnvloeden.
Multivariate
en
ordinatietechnieken werden gebruikt om de omgevings- en soortgegevens te analyseren langsheen de
vervuilingsgradiënt. De resultaten toonden aan dat de veranderingen in abundantie en samenstelling van
diatomeeën een functie waren van omgevingsvariabelen geassocieerd met de veranderingen in de
omgeving veroorzaakt door verschillen in landgebruik en seizoenale veranderingen. Nutriënten (totale
stikstof en fosfor), biologisch zuurstofverbruik (BOD5), opgeloste zuurstof en conductiviteit waren de
meest belangrijke omgevingsvariabelen die de diatomeeënsamenstelling beïnvloeden.
Het
voorspellen
van
de
soortendistributies
en
hun
respons
op
de
voornaamste
omgevingsvariabelen die de diatomeeënsamenstelling beïnvloeden, is cruciaal voor het verbeteren van
gemeenschapsanalysetechnieken en voor het optimaliseren van het gebruik van indicatorsoorten bij het
onderzoeken van de omgevingskwaliteit in het kader van de alarmerende ecologische schade. We toonden
het nut aan van een niet-parametrische multiplicatieve regressie (NPMR)-model om de ecologie van
diatomeeën te bestuderen en meer bepaald hun respons op één of meerdere omgevingsvariabelen. De
resultaten onthulden dat NMPR een krachtige modelleringstechniek is om de accuraatheid van de
soortenrespons op één of meerdere omgevingsfactoren te evalueren. De hypothetische unimodale
soortenrespons werd ook getest en gevalideerd voor diatomeeën.
Hoewel er verschillende numerieke technieken kunnen toegepast worden om de auto-ecologie
van diatomeeën te kwantificeren, is er tot op heden geen duidelijke methodologische aanpak ontwikkeld
om de indicatorsterkte van een soort in te schatten, indien er onderzoeksgegevens zijn van zowel soorten
als
omgevingsdescriptoren.
We
hebben
een
statistisch
plausibele
aanpak
ontwikkeld
om
omgevingsdescriptoren in drie belangrijke ecologische condities in te delen en hebben geschat wat de
indicatieve kracht is van de diatomeeënsoorten door het opnemen van deze statistische aanpak in de
methode (centrale tendens, variatie en een pollutie criterium van 25ste percentiel) van Dufrêne en
Legendre (1997). We verifieerden of de geschatte taxon-indicatorwaarde overeenkomt met zijn respons
op die specifieke omgevingsvariabele d.m.v. het NPMR-model. Er werd aangetoond dat deze
methodologische aanpak robuust is in het kwantitatief en exact schatten van het indicatorpotentieel van
een soort.
Gezien het belang van maatlatten voor de toepassing van een degelijk beleid van bescherming en
herstel van ecosystemen, ontwikkelden we een maatlat voor het classificeren van de status van
ecologische kwaliteit van Ethiopische rivieren gebruik makende van de geschatte indicatorwaarden en de
totale-indicatorwaardemethode.
De
ecologische
kwaliteitsratio
ontwikkeld
voor
Ethiopische
riviersystemen (EQR(Eth)) bleek een krachtiger maatlat dan andere globale indices voor het identificeren
van bovenlopen met goede kwaliteit en van stedelijke, bij koffieverwerking geproduceerde en landbouwgerelateerde vervuiling, die de hoofdfactoren zijn voor de aantasting van de ecologische kwaliteit van
rivieren in het studiegebied. De EQR(Eth) toonde ook aan dat vervuiling ernstiger was in het droog
seizoen dan in het regenseizoen. De gevoeligheid en robuustheid van de EQR(Eth) bij de identificatie van
milieustressoren en diens hulp bij de diagnose van de oorzaak van achteruitgang, tonen het nut aan van
het gebruik van deze index voor het monitoren van de ecologische omstandigheden van rivieren in
Ethiopië. De EQR(Eth) was significant gecorreleerd met de EU-indices (Specific pollution sensitivity
index (IPS), Biological diatom index (IBD) en Trophic Diatom Index (TDI)) maar de correlatie met
diversiteitsindices was zwak. Het is algemeen geweten dat veranderingen in de diatomeeëndiversiteit niet
altijd gerelateerd zijn aan veranderingen in waterkwaliteit. De diatomeeëngebaseerde EU-indices werden
getest in Afrika en de bevindingen toonden aan dat, mits redelijke toegeving voor wat betreft de mate van
correctheid bij goede kwaliteit, deze indices ook hier gebruikt kunnen worden om vervuiling te
onderzoeken.
Dit onderzoek toonde de geschikte methodologische aanpak aan om diatomeeëngebaseerde
waterkwaliteitsmethoden van Ethiopische rivieren af te leiden uit regionale onderzoeksdata. Echter, het is
ver van compleet omwille van het gebrek aan voldoende rivieren van goede ecologische kwaliteit, en het
feit dat niet alle omgevingsfactoren van belang voor het exploreren en bestuderen van de
diatomeeënecologie, geïncorporeerd werden. Dit noodzaakt een verdere verzameling van gegevens en
uitgebreider onderzoek waarbij bijkomende relevante omgevingsfactoren in rekening gebracht worden en
meer niet-vervuilde rivieren toegevoegd worden uit de hooglanden van de natuurlijke wouden van BeleteGera in het Jimma-gebied en andere regio’s van Ethiopië.
Onze bevindingen toonden aan dat de riviervervuiling ernstig is in Ethiopië. Er is daarom
dringend actie nodig om vervuilde en gedegradeerde rivieren te herstellen. Elke actie om de
rivierwaterkwaliteit te herstellen en te beheren moet zich richten op schaal van stroomgebieden en zich
baseren op een holistische aanpak en een breder inzicht in lijn met de principes van duurzame
ontwikkeling.