Στα επιφανειακά και υπόγεια νερά της περιοχής έχει ανιχνευθεί πληθώρα χημικών και τοξικών ουσιών, βαρέα μέταλλα, μικροβιακό φορτίο, καθώς και αυξημένα επίπεδα ραδιενέργειας σε ορισμένες περιπτώσεις.
Η ρύπανση των νερών στην προστατευόμενη περιοχή οφείλεται κυρίως:
*σε αστικά λύματα που δέχονται τα ποτάμια από αρκετές πυκνοκατοικημένες περιοχές (Βέροια, Έδεσσα, Κοζάνη, Γρεβενά, Κιλκίς, Φλώρινα, πόλεις της ΠΓΔΜ)
*στην εντατική χρήση λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων
*σε βιομηχανικά λύματα (από βιομηχανίες ζάχαρης, ένδυσης, γαλακτοβιομηχανίες, κονσερβοποιίες κ.α.)
* σε λύματα κτηνοτροφικών μονάδων
* σε λύματα από εκπλύσεις αποβλήτων (π.χ. χωματερές)
* σε πετρελαιοειδή και συναφείς τοξικές ουσίες και
* διασυνοριακούς ρύπους, στην περίπτωση του Αξιού.
Ο Αλιάκμονας και ο Αξιός δέχονται επεξεργασμένα και μη επεξεργασμένα απόβλητα από αρκετές πυκνοκατοικημένες περιοχές (Βέροια, Νάουσα, Έδεσσα, Κοζάνη, Γρεβενά, Κιλκίς, Φλώρινα, πόλεις της ΠΓΔΜ), βιομηχανικά απόβλητα (βιομηχανίες ζάχαρης, ένδυσης, γαλακτοβιομηχανίες, κ.α.) και γεωργικά απόβλητα.
Εκτιμάται ότι ο Αξιός δέχεται περίπου 1.140.000 κυβικά μέτρα βιομηχανικά απόβλητα τον χρόνο, μόνο από τις ελληνικές βιομηχανίες (Γεράκης κ.α. 2006). Ο Αξιός ποταμός εμπλουτίζει τα υδατοσυστήματα της λεκάνης του με σημαντικό φορτίο ανόργανων και οργανικών ρύπων. Για παράδειγμα, ο Αξιός αποτελεί την κύρια πηγή ρύπανσης του Θερμαϊκού όσον αφορά το φώσφορο και το άζωτο, καθώς αποθέτει το 43% και 56% αντίστοιχα των ποσοτήτων που ανιχνεύονται στον κόλπο (Salomons 2004).
Είναι ο δεύτερος πιο ρυπασμένος ποταμός στην Ελλάδα, από την άποψη του φορτίου νιτρικών και φωσφωρικών (Nikolaidis et al 2006). Επιπλέον μέσα στα όρια της λεκάνης απορροής του είναι χαμηλό το ποσοστό των κατοικημένων περιοχών που συνδέονται με αποχετευτικό σύστημα ή με μονάδες επεξεργασίας αποβλήτων (Salomons 2004).
Ωστόσο, ένα από τα πιο ρυπασμένα ποτάμια της Ελλάδας είναι ο Λουδίας, λόγω των αγροτικών αποβλήτων και των αποβλήτων από τις βιομηχανίες επεξεργασίας φρούτων και ζάχαρης. Ο Λουδίας χρησιμεύει ως αποδέκτης των νερών άρδευσης από την πεδιάδα μεταξύ του Αλιάκμονα και του Αξιού. Το οργανικό φορτίο του Λουδία είναι αρκετά μεγαλύτερο από αυτό του Αξιού (Voulgaropoulos et al 1987).
Σημαντικά φορτία ρύπανσης δέχεται ο ποταμός Αλιάκμονας στο πεδινό τμήμα της κοίτης του (μετά τη Βέροια). Τα φορτία αυτά προέρχονται από την Τάφρο 66, μήκους περίπου 35 χλμ., στην οποία πέφτουν χωρίς καμία επεξεργασία τα απόβλητα από τις κονσερβοποιίες που λειτουργούν στη Νάουσα, τη Βέροια, την Έδεσσα, ενώ σημαντική είναι η επιβάρυνση από τα φυτοφάρμακα και τα γεωργικά λιπάσματα, καθώς στην ίδια περιοχή υπάρχουν εντατικές καλλιέργειες.
Στον Αλιάκμονα έχουν επίσης ανιχνευτεί υψηλά επίπεδα μολύβδου (πιθανόν από γεωργική δραστηριότητα, καθώς ο μόλυβδος χρησιμοποιείται στη σύνθεση φυτοφαρμάκων), αλλά και ραδιενέργεια που αποδίδεται στην λειτουργία των λιγνιτικών πεδίων και στις εκπλύσεις γεωργικών φαρμάκων (Karamanis et al 2008).
Τελικός αποδέκτης των ρυπασμένων αυτών ποταμών αλλά και των αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων της Θεσσαλονίκης είναι ο Θερμαϊκός Κόλπος. Οι κυριότεροι παράγοντες υποβάθμισής του είναι ο εμπλουτισμός με θρεπτικά στοιχεία και κατά συνέπεια ο ευτροφισμός (Nikolaidis et al 2006). Σε γενικές γραμμές τα νερά του Αιγαίου είναι ολιγοτροφικά, αλλά ο Θερμαϊκός έχει γίνει ευτροφικός λόγω των παραπάνω πιέσεων.
Η μείωση κατά 30% των θρεπτικών που προέρχονται από τα οικιακά και βιομηχανικά απόβλητα του Θεσσαλονίκης και των θρεπτικών από νιτρικά και φωσφωρικά που προέρχονται από τον Αξιό κατά 40%, θα ωθούσε σε σημαντική μείωση του ευτροφισμού του Θερμαϊκού έως και 48% (Kariagoris et.al. 2005, Nikolaidis et al 2006).