Optimization of River Water Quality Surveys by Multivariate Analysis of Physicochemical, Bacteriological and Ecotoxicological Data

This study aims to optimize the water quality monitoring of a polluted watercourse (Leça River, Portugal) through the principal component analysis (PCA) and cluster analysis (CA). These statistical methodologies were applied to physicochemical, bacteriological and ecotoxicological data (with the marine bacterium Vibrio fischeri and the green alga Chlorella vulgaris) obtained with the analysis of water samples monthly collected at seven monitoring sites and during five campaigns (February, May, June, August, and September 2006). The results of some variables were assigned to water quality classes according to national guidelines. Chemical and bacteriological quality data led to classify Leça River water quality as “bad” or “very bad”. PCA and CA identified monitoring sites with similar pollution pattern, giving to site 1 (located in the upstream stretch of the river) a distinct feature from all other sampling sites downstream. Ecotoxicity results corroborated this classification thus revealing differences in space and time. The present study includes not only physical, chemical and bacteriological but also ecotoxicological parameters, which broadens new perspectives in river water characterization. Moreover, the application of PCA and CA is very useful to optimize water quality monitoring networks, defining the minimum number of sites and their location. Thus, these tools can support appropriate management decisions.

Estudo da implementação de um sistema de vigilância e alarme num recurso hídrico

Neste trabalho estudou-se a implementação de um sistema de vigilância e alerta da qualidade da água de um recurso hídrico, para um possível caso de poluição. Em 25 de Agosto de 2008 foram derramadas 4 toneladas de ácido clorídrico acidentalmente para as águas do rio Febros. Este rio situa-se no concelho de Vila Nova de Gaia e é um pequeno afluente do rio Douro, tendo cerca de 14 km de extensão e tem a particularidade de atravessar o Parque Biológico de Gaia. A falta de uma rápida intervenção e da existência de um plano de ação levou a que parte da fauna e flora fosse destruída. Por este motivo realizou-se este estudo que se baseou na criação de um sistema de vigilância e alerta a ser implementado neste rio. A informação da hidrogeometria do rio e da capacidade de transporte e dispersão de poluentes é indispensável para o bom funcionamento deste sistema. O coeficiente de dispersão longitudinal é um parâmetro muito importante no estudo da qualidade da água. Recorreu-se à utilização da Rodamina WT como marcador, determinando assim a evolução da sua concentração ao longo do tempo e espaço. No cálculo do coeficiente de dispersão foi utilizado o modelo Transient Storage, que demonstrou ser um bom modelo de ajuste aproximando-se dos valores medidos em campo. Para três estações diferentes com distâncias de 290, 390 e 1100 metros do ponto de injeção, obtiveram-se valores de coeficiente de dispersão de 0,18, 0,15 e 0,39 m2/s respetivamente. Os valores do ajuste expressos sob a forma de coeficiente de correlação foram 0,988, 0,998 e 0,986, para a mesma ordem de estações. A constante de rearejamento do rio foi também determinada recorrendo ao método dos marcadores inertes, utilizando o propano como marcador gasoso. A constante determinada próximo de Casal Drijo, entre 2 estações de amostragem a 140 e 290 m do local de injeção, foi de 13,4 dia-1. Com os resultados do coeficiente de dispersão e da constante de rearejamento para além da velocidade e caudal da corrente do rio conseguir-se-á construir o modelo de simulação e previsão de um possível poluente. O sistema de vigilância a implementar sugere-se assim que seja construído por duas partes, uma de análise de evolução da nuvem de poluição e plano de ação outra de monitorização contínua e emissão de alerta. Após uma análise do investimento à implementação deste sistema chegou-se à conclusão que o valor de investimento é de 15.182,00 €.

Sensors for the detection and quantification of bacterial contamination in water for human use

The deterioration of water quality by Cyanobacteria cause outbreaks and epidemics associated with harmful diseases in Humans and animals because of the toxins that they release. Microcystin-LR is one of the hepatotoxins most widely studied and the World Health Organization, recommend a maximum value of 1mgL 1 in drinking water. Highly specific recognition molecules, such as molecular imprinted polymers are developed to quantify microcystins in waters for human use and shown to be of great potential in the analysis of these kinds of samples. The obtained results were auspicious, the detection limit found, 1.5mgL 1, being of the same order of magnitude as the guideline limit recommended by the WHO. This technology is very promising because the sensors are stable and specific, and the technology is inexpensive and allows for rapid on-site monitoring.

Multiple linear and principal component regressions for modelling ecotoxicity bioassay response

The ecotoxicological response of the living organisms in an aquatic system depends on the physical, chemical and bacteriological variables, as well as the interactions between them. An important challenge to scientists is to understand the interaction and behaviour of factors involved in a multidimensional process such as the ecotoxicological response.With this aim, multiple linear regression (MLR) and principal component regression were applied to the ecotoxicity bioassay response of Chlorella vulgaris and Vibrio fischeri in water collected at seven sites of Leça river during five monitoring campaigns (February, May, June, August and September of 2006). The river water characterization included the analysis of 22 physicochemical and 3 microbiological parameters. The model that best fitted the data was MLR, which shows: (i) a negative correlation with dissolved organic carbon, zinc and manganese, and a positive one with turbidity and arsenic, regarding C. vulgaris toxic response; (ii) a negative correlation with conductivity and turbidity and a positive one with phosphorus, hardness, iron, mercury, arsenic and faecal coliforms, concerning V. fischeri toxic response. This integrated assessment may allow the evaluation of the effect of future pollution abatement measures over the water quality of Leça River.

Modelação Dinâmica de Sistemas de Drenagem Urbana. Aplicação a um caso de estudo

A crescente expansão urbana e o incremento das exigências ambientais e financeiras promovem a implementação de abordagens sustentáveis para a gestão das infraestruturas sanitárias. Assim, o recurso a instrumentos de monitorização e à modelação matemática surge como o caminho para a racionalização do investimento e a otimização dos sistemas existentes. Neste contexto, a modelação dinâmica de sistemas de drenagem urbana assume relevância para o controlo e redução dos caudais em excesso e das descargas de poluentes nos meios recetores, resultantes de um incremento significativo de afluências pluviais indevidas, de problemas de sub-dimensionamento ou falta de operação e manutenção. O objetivo da presente dissertação consiste na modelação, calibração e diagnóstico do sistema intercetor de Lordelo utilizando o software Storm Water Management Model, através dos dados recolhidos a partir do projeto de Reabilitação dos intercetores de Lordelo, elaborado pela Noraqua. A modelação considera a avaliação das afluências de tempo seco e as afluências pluviais pelo software Sanitary Sewer Overflow Analysis and Planning Toolbox. Com efeito, a simulação dinâmica, permitiu um conhecimento mais detalhado do sistema, avaliando a capacidade hidráulica e localizando os pontos propícios a inundações. Assim, foi possível testar soluções de beneficiação do sistema, englobando a problemática das afluências pluviais indevidas calibradas. Apesar das dificuldades sentidas face à qualidade dos dados existentes, verificou-se que o SSOAP e o SWMM são ferramentas úteis na deteção, diagnóstico e redução dos caudais em excesso e que o procedimento utilizado pode ser aplicado a sistemas semelhantes, como forma de definir a melhor solução técnica e económica ao nível do planeamento, operação e reabilitação do sistema.

Microcystin-LR detection in water by the Fabry–Pérot interferometer using an optical fibre coated with a sol–gel imprinted sensing membrane

Cyanobacteria deteriorate the water quality and are responsible for emerging outbreaks and epidemics causing harmful diseases in Humans and animals because of their toxins. Microcystin-LR (MCT) is one of the most relevant cyanotoxin, being the most widely studied hepatotoxin. For safety purposes, the World Health Organization recommends a maximum value of 1 μg L−1 of MCT in drinking water. Therefore, there is a great demand for remote and real-time sensing techniques to detect and quantify MCT. In this work a Fabry–Pérot sensing probe based on an optical fibre tip coated with a MCT selective thin film is presented. The membranes were developed by imprinting MCT in a sol–gel matrix that was applied over the tip of the fibre by dip coating. The imprinting effect was obtained by curing the sol–gel membrane, prepared with (3-aminopropyl) trimethoxysilane (APTMS), diphenyl-dimethoxysilane (DPDMS), tetraethoxysilane (TEOS), in the presence of MCT. The imprinting effect was tested by preparing a similar membrane without template. In general, the fibre Fabry–Pérot with a Molecular Imprinted Polymer (MIP) sensor showed low thermal effect, thus avoiding the need of temperature control in field applications. It presented a linear response to MCT concentration within 0.3–1.4 μg L−1 with a sensitivity of −12.4 ± 0.7 nm L μg−1. The corresponding Non-Imprinted Polymer (NIP) displayed linear behaviour for the same MCT concentration range, but with much less sensitivity, of −5.9 ± 0.2 nm L μg−1. The method shows excellent selectivity for MCT against other species co-existing with the analyte in environmental waters. It was successfully applied to the determination of MCT in contaminated samples. The main advantages of the proposed optical sensor include high sensitivity and specificity, low-cost, robustness, easy preparation and preservation.