New insights on river water chemistry by using non-centred simplicial principal component analysis: a case study

The use of perturbation and power transformation operations permits the investigation of linear processes in the simplex as in a vectorial space. When the investigated geochemical processes can be constrained by the use of well-known starting point, the eigenvectors of the covariance matrix of a non-centred principal component analysis allow to model compositional changes compared with a reference point. The results obtained for the chemistry of water collected in River Arno (central-northern Italy) have open new perspectives for considering relative changes of the analysed variables and to hypothesise the relative effect of different acting physical-chemical processes, thus posing the basis for a quantitative modelling

A Factor analysis of hidrochemical composition of Llobregat river basin

Hydrogeological research usually includes some statistical studies devised to elucidate mean background state, characterise relationships among different hydrochemical parameters, and show the influence of human activities. These goals are achieved either by means of a statistical approach or by mixing models between end-members. Compositional data analysis has proved to be effective with the first approach, but there is no commonly accepted solution to the end-member problem in a compositional framework. We present here a possible solution based on factor analysis of compositions illustrated with a case study. We find two factors on the compositional bi-plot fitting two non-centered orthogonal axes to the most representative variables. Each one of these axes defines a subcomposition, grouping those variables that lay nearest to it. With each subcomposition a log-contrast is computed and rewritten as an equilibrium equation. These two factors can be interpreted as the isometric log-ratio coordinates (ilr) of three hidden components, that can be plotted in a ternary diagram. These hidden components might be interpreted as end-members. We have analysed 14 molarities in 31 sampling stations all along the Llobregat River and its tributaries, with a monthly measure during two years. We have obtained a bi-plot with a 57% of explained total variance, from which we have extracted two factors: factor G, reflecting geological background enhanced by potash mining; and factor A, essentially controlled by urban and/or farming wastewater. Graphical representation of these two factors allows us to identify three extreme samples, corresponding to pristine waters, potash mining influence and urban sewage influence. To confirm this, we have available analysis of diffused and widespread point sources identified in the area: springs, potash mining lixiviates, sewage, and fertilisers. Each one of these sources shows a clear link with one of the extreme samples, except fertilisers due to the heterogeneity of their composition. This approach is a useful tool to distinguish end-members, and characterise them, an issue generally difficult to solve. It is worth note that the end-member composition cannot be fully estimated but only characterised through log-ratio relationships among components. Moreover, the influence of each endmember in a given sample must be evaluated in relative terms of the other samples. These limitations are intrinsic to the relative nature of compositional data

Contaminants emergents i prioritaris: aportacions de la recerca científica plans de gestió fluvial = Contaminantes emergentes y prioritarios: aportaciones de la investigación científica a los planes de gestión de Cuenca = Emerging and priority pollutants: bringing science into river management plans

Recull de resums de les ponències, programa, i llista de participants de les Jornades "Contaminants emergents i prioritaris: aportacions de la recerca científica als plans de gestió fluvial" celebrades a Girona el 25 i 26 de març de 2010

Catalase in fluvial biofilms: a comparison between different extraction methods and example of application in a metal-polluted river

Antioxidant enzymes are involved in important processes of cell detoxification during oxidative stress and have, therefore, been used as biomarkers in algae. Nevertheless, their limited use in fluvial biofilms may be due to the complexity of such communities. Here, a comparison between different extraction methods was performed to obtain a reliable method for catalase extraction from fluvial biofilms. Homogenization followed by glass bead disruption appeared to be the best compromise for catalase extraction. This method was then applied to a field study in a metal-polluted stream (Riou Mort, France). The most polluted sites were characterized by a catalase activity 4–6 times lower than in the low-polluted site. Results of the comparison process and its application are promising for the use of catalase activity as an early warning biomarker of toxicity using biofilms in the laboratory and in the field

Fluvial biofilms: a pertinent tool to assess β-blockers toxicity

Among increasingly used pharmaceutical products, β-blockers have been commonly reported at low concentrations in rivers and littoral waters of Europe and North America. Little is known about the toxicity of these chemicals in freshwater ecosystems while their presence may lead to chronic pollution. Hence, in this study the acute toxicity of 3 β-blockers: metoprolol, propranolol and atenolol on fluvial biofilms was assessed by using several biomarkers. Some were indicative of potential alterations in biofilm algae (photosynthetic efficiency), and others in biofilm bacteria (peptidase activity, bacterial mortality). Propranolol was the most toxic β-blocker, mostly affecting the algal photosynthetic process. The exposure to 531 μg/L of propranolol caused 85% of inhibition of photosynthesis after 24 h. Metoprolol was particularly toxic for bacteria. Though estimated No-Effect Concentrations (NEC) were similar to environmental concentrations, higher concentrations of the toxic (503 μg/L metoprolol) caused an increase of 50% in bacterial mortality. Atenolol was the least toxic of the three tested β-blockers. Effects superior to 50% were only observed at very high concentration (707 mg/L). Higher toxicity of metoprolol and propranolol might be due to better absorption within biofilms of these two chemicals. Since β-blockers are mainly found in mixtures in rivers, their differential toxicity could have potential relevant consequences on the interactions between algae and bacteria within river biofilms

Ecologia demogràfica de la perca americana (Micropterus salmoides) a l'Estany de Banyoles

L'Estany de Banyoles, sistema peculiar tant des del punt de vista de la seva formació geològica com de les seves característiques limnològiques, conté actualment una comunitat de peixos profundament modificada respecte de la comunitat original. La perca americana (Micropterus salmoides), introduïda a finals dels anys seixanta del segle XX, és avui una de les espècies dominants en aquesta comunitat, i ocupa sobretot l'hàbitat litoral de l'Estany. Es tracta d'una espècie molt ben estudiada a Nord Amèrica des de diverses disciplines de la biologia i des de fa diverses dècades, cosa que ha comportat que actualment es disposi d'un gran volum d'informació sobre ella. Amb tot, fora del seu continent d'origen ha rebut poca atenció, malgrat l'amplia expansió que ha experimentat arreu del món. En aquesta tesi doctoral s'han abordat, amb un enfocament descriptiu, aspectes fins ara desconeguts per a l'espècie a l'Estany de Banyoles, a la península ibèrica i fins i tot a Europa. Concretament, se n'ha analitzat la condició, el creixement i la demografia, així com les seves variacions temporals. Amb aquesta finalitat, s'ha dissenyat un mostreig composat de deu campanyes de pesca intensives més alguns petits mostrejos addicionals intercalats, mostreig que s'ha allargat des del juliol del 1997 i fins el novembre del 1999. La captura dels exemplars s'ha realitzat mitjançant una tècnica de pesca elèctrica amb una embarcació posada a punt expressament per a aquest estudi, la qual s'ha mostrat considerablement eficient malgrat les dificultats que ofereix el medi. S'ha realitzat un mostreig de marcatge-recaptura basat en la mutilació d'aletes i, en alguns casos, en el marcatge amb pintura acrílica. Només en la darrera campanya (novembre del 1999) s'ha sacrificat una part important de les captures a fi de retirar-ne els otòlits per a la determinació de l'edat. Pel que fa a l'anàlisi de les dades, s'ha aplicat un ampli ventall de mètodes i models per a cada un dels aspectes estudiats, a fi de contrastar-ne els resultats i validar-ne la seva fiabilitat. En el cas de la condició, s'han aplicat mètodes d'anàlisi de la covariància (ANCOVA) i altres mètodes anàlegs, així com, paral·lelament, regressions i anàlisis derivades a partir de la relació longitud-pes. En l'estudi del creixement, s'han realitzat ajustaments de diversos models mitjançant regressions sobre dades de mida a l'edat i sobre dades d'increments de mida observats per interval de temps. També s'han aplicat anàlisis de freqüències de longitud, i, finalment, s'han aplicat mètodes de retrocàlcul a partir dels increments anuals del radi observats en els otòlits. Finalment, en el cas de l'estudi de la demografia, s'han aplicat models de marcatge-recaptura per a l'estimació de la grandària poblacional i de la supervivència, i, a més, s'han ajustat diversos models continus de supervivència sobre aquestes estimacions prèvies. També s'han estimat les capturabilitats associades a la nova tècnica de captura. Per una altra banda, s'ha implementat i realitzat un mostreig sobre la població de pescadors esportius de l'Estany encarat a determinar, bàsicament, la pressió de pesca a què es veu sotmesa l'espècie. Els resultats mostren sobretot una alta estabilitat interanual en tots els aspectes estudiats, que s'explica per l'estabilitat ambiental que, al seu torn, és característica d'aquest ecosistema lacustre. Això reverteix en una longevitat màxima observada que iguala la màxima descrita a la literatura per a l'espècie. Alhora, també s'han descrit fortes oscil·lacions estacionals tant en la condició, com en el creixement, com també en la supervivència, les quals, però, presenten certes diferències en la seva temporalitat, cosa que indica una certa diferenciació en els factors que les regulen.

Effects of priority and emerging pollutants on river biofilms

L'activitat humana representa una de les majors causes d'entrada d'una gran varietat de substàncies en els ecosistemes fluvials. L'objectiu principal d'aquest treball es investigar els efectes que els tòxics orgànics poden exercir en els biofilms fluvials. El riu Llobregat ha estat sotmès a fortes pressions, fet que l'ha portat a uns nivells molt elevats de contaminació. En aquest estudi s'ha observat una influència dels plaguicides presents al riu en la distribució de la comunitat de diatomees, així com efectes en el biofilm a nivell funcional i estructural. Experiments amb canals experimentals han mostrat que l'herbicida diuron i el bactericida triclosan poden ocasionar una cadena d'efectes en els biofilms, incloent efectes directes i també efectes indirectes en les relacions entre els components del biofilm. Experiments amb cultius algals han mostrat que aquests tòxics, aplicats en barreja, poden tenir una major toxicitat de la prevista pels models, resultant en efectes sinèrgics.

Management of industrial wastewater discharges in river basins through agents'argumentation

La gestió de l'aigua residual és una tasca complexa. Hi ha moltes substàncies contaminants conegudes però encara moltes per conèixer, i el seu efecte individual o col·lgectiu és difícil de predir. La identificació i avaluació dels impactes ambientals resultants de la interacció entre els sistemes naturals i socials és un assumpte multicriteri. Els gestors ambientals necessiten eines de suport pels seus diagnòstics per tal de solucionar problemes ambientals. Les contribucions d'aquest treball de recerca són dobles: primer, proposar l'ús d'un enfoc basat en la modelització amb agents per tal de conceptualitzar i integrar tots els elements que estan directament o indirectament involucrats en la gestió de l'aigua residual. Segon, proposar un marc basat en l'argumentació amb l'objectiu de permetre als agents raonar efectivament. La tesi conté alguns exemples reals per tal de mostrar com un marc basat amb agents que argumenten pot suportar diferents interessos i diferents perspectives. Conseqüentment, pot ajudar a construir un diàleg més informat i efectiu i per tant descriure millor les interaccions entre els agents. En aquest document es descriu primer el context estudiat, escalant el problema global de la gestió de la conca fluvial a la gestiódel sistema urbà d'aigües residuals, concretament l'escenari dels abocaments industrials. A continuació, s'analitza el sistema mitjançant la descripció d'agents que interaccionen. Finalment, es descriuen alguns prototips capaços de raonar i deliberar, basats en la lògica no monòtona i en un llenguatge declaratiu (answer set programming). És important remarcar que aquesta tesi enllaça dues disciplines: l'enginyeria ambiental (concretament l'àrea de la gestió de les aigües residuals) i les ciències de la computació (concretament l'àrea de la intel·ligència artificial), contribuint així a la multidisciplinarietat requerida per fer front al problema estudiat. L'enginyeria ambiental ens proporciona el coneixement del domini mentre que les ciències de la computació ens permeten estructurar i especificar aquest coneixement.