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.

Nanosized iron based permeable reactive barriers for nitrate removal - Systematic review

It is unquestionable that an effective decision concerning the usage of a certain environmental clean-up technology should be conveniently supported. Significant amount of scientific work focussing on the reduction of nitrate concentration in drinking water by both metallic iron and nanomaterials and their usage in permeable reactive barriers has been worldwide published over the last two decades. This work aims to present in a systematic review of the most relevant research done on the removal of nitrate from groundwater using nanosized iron based permeable reactive barriers. The research was based on scientific papers published between 2004 and June 2014. It was performed using 16 combinations of keywords in 34 databases, according to PRISMA statement guidelines. Independent reviewers validated the selection criteria. From the 4161 records filtered, 45 met the selection criteria and were selected to be included in this review. This study's outcomes show that the permeable reactive barriers are, indeed, a suitable technology for denitrification and with good performance record but the long-term impact of the use of nanosized zero valent iron in this remediation process, in both on the environment and on the human health, is far to be conveniently known. As a consequence, further work is required on this matter, so that nanosized iron based permeable reactive barriers for the removal of nitrate from drinking water can be genuinely considered an eco-efficient technology.

Environmental assessment and biomonitoring of the Twelve Mile Creek watershed, Niagara Peninsula, Ontario

In light of the heavy reliance of the people of the Niagara Peninsula on the T\\'elve Mile Creek (TMC) watershed for recreational activities and for municipal and industrial uses ( e.g., drinking water, shipping and discharge of effluents), it was deemed prudent to assess the envirol1tnental health of the system by analysing the sediments total and exchangeable metal, and TPH contents. The MOEE has set guidelines with limits for the protection and management of aquatic sediments, and the sediments from the headwaters of the TMC have total metal and TPH (subset of O&G) contents well below the lower provincial limits. Areas of environmental concern where total metal contents in sediments, either individually or collectively, exceed the guideline, are the south side of Lake Gibson, the Old WeIland Canal, a segment of TMC just south of the QEW and Martindale Pond. The total metal content of sediments does not in all instances identify areas of biological concern. Instead, it has been found that the exchangeable metal fraction of sediments is a better indicator of metal availability and thus potential accumulation in organisms. In some instances, the exchangeable metal fraction agrees with the total metal fraction defining areas of environmental concern, but it does vary from site to site reflecting the natural variability of the ambient environment. Overall, the exchangeable metal fraction of sediments appears to be a better indicator of anthropogenic pollution and ecosystem impact. A histochemical study of Anodon.ta sp., Elliptio sp. and zebra mussels (Dreissena polyn'101pha) was done in conjunction with passive biomonitoring of zebra and quagga mussels (Dreissena bugensis) from the Twelve Mile Creek watershed and Lake 51. Clair (Jeanette's Creek, Chatham, Ontario). The highest concentrations of divalent metals such as Cu, Ni, Cd, and Zn, and trivalent Al appear to accumulate in gill and kidney tissues. Metal contents of organ tissues in Anodonta sp. vary with size class. Organ metal content varies among size classes, thus requiring consideration of size in biomonitoring studies. Shucked zebra and quagga mussel tissues, exhibited similar size class to Al content trends. In addition they reflected the Al content trends of top (approximately 10 cm) most sediments in the Twelve Mile Creek watershed. Quagga mussels appear to have higher Al concentrations than zebra mussels, thus suggesting that quagga mussels may be better passive biomonitors of AI. Cd content in zebra mussel tissues, seemed to increase with size class trends. This was not demonstrated in the quagga mussel tissues. This suggests that Cd may be regulated by quagga mussels and not by zebra mussels, and that zebra mussels may be better passivebiomonitors of Cd than are quagga mussels. Zebra mussel, quagga mussel, Anodonta sp., and Elliptio sp. were used in a two part, active (translocated) biomonitoring study of the Twelve Mile Creek watershed. There was no statistical difference in death rates between zebra and quagga mussels after 65 days of biomonitoring. However there does appear to be a difference of death rates between sites. Unfortunately the data base did not permit us to differentiate between sites. Relative to Port Colborne Harbour (Port Colborne, Ontario), the Twelve Mile Creek watershed appears to be elevated in bioavailable AI. An area near the terminus of the Twelve Mile Creek appears to be an area of environmental concern since mussels seemed to have accumulated relatively large concentrations of Cd, Zn, and Pb. In addition to possible metal loading from a nearby outfalls, or possible upstream outfalls, road salt runoff from storm sewers may have contributed to metal accumulation through cation exchanges processes. Similar trends in cumulative quagga mussel metal concentrations during the two time periods (65 and 159 days), suggest that quagga mussels may reach equilibrium within 65 days of translocation. Differences in bioaccumulated metal concentrations of the two dreissenid species demonstrate that active biomonitoring studies must use a variety of organisms to adequately assess the environmental situation of specific waterways and/or bodies.

Investigation of clusters of giardiasis using GIS and a spatial scan statistic

Affiliation: Pascal Michel : Département de pathologie et microbiologie, Faculté de médecine vétérinaire

Développement de techniques analytiques pour la détermination des agents anti-infectieux dans les eaux environnementales

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles.

The human right to water - normative foundations and ethical implications

La présente contribution examine les fondements normatifs ainsi que les implications éthiques du droit à l’eau, tel qu’il fut reconnu en 2002 par le comité onusien des droits économiques, sociaux et culturels. Il sera défendu que le droit à l’eau potable peut être justifié en tant que droit moral fondamental, de par son caractère indispensable en vue de la garantie des conditions basiques de survie. Cet état de fait, cependant, s’avère moins évident au vue d’un droit à l’eau d’usage non-domestique. Ici, la discussion se rapproche des débats accompagnant le concept beaucoup plus complexe des droits sociaux et économiques. Par rapport à ce groupe de droits, la question de l’allocation est des plus controversées: à qui incombe-t-il de garantir leur respect? Dans le but d’éviter cette problématique d’allocation, le présent essai soulèvera la question de savoir, si la limitation de l’accès à l’eau peut être conçue comme une violation d’autres droits moraux: bien qu’il y ait des cas où des entreprises transnationales déploient des activités nuisibles à l’égard des populations pauvres en polluant sciemment leurs ressources en eau ou en initiant et en exécutant des stratégies de privatisation les privant de leurs droits, la crise globale de l’eau ne saura être rattachée uniquement aux effets de la mondialisation. Plutôt, l’on reconnaîtra la nécessité d’efforts positifs et soutenus de la part des pays développés en vue de la réalisation d’un approvisionnement suffisant en eau pour tous.

Développement de méthodes analytiques pour la détection et la quantification de traces de produits pharmaceutiques dans les eaux du fleuve Saint Laurent

Le présent projet vise à documenter la nécessité d’augmenter notre connaissance de la présence des contaminants organiques tels que les médicaments dans l’environnement et d’évaluer leur devenir environnemental. On a étudié la présence de composés pharmaceutiques dans différents échantillons d'eau. On a focalisé nos efforts spécialement sur les échantillons d'eau de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et ses effluents, les eaux de surface avoisinantes et l’eau du robinet dans la région de Montréal. Pour ce faire, on a tout d’abord développé deux méthodes analytiques automatisées basées sur la chromatographie liquide avec extraction en phase solide (SPE) couplée à la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). On a également étudié les performances des trois techniques d'ionisation à pression atmosphérique (API), pour ensuite les utiliser dans la méthode analytique développée. On a démontré que l'ionisation par électronébulisation (ESI) est une méthode d'ionisation plus efficace pour l'analyse des contaminants pharmaceutiques dans des échantillons de matrices très complexes comme les eaux usées. Une première méthode analytique SPE couplée à la LC-MS/MS a été développée et validée pour l'étude des échantillons complexes provenant de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et des eaux de surface près de l'usine. Cinq médicaments de prescription ont été étudiés: le bézafibrate (un régulateur de lipides), le cyclophosphamide et le méthotrexate (deux agents anticancéreux), l'orlistat (un agent anti-obésité) et l’énalapril (utilisé dans le traitement de l'hypertension). La plupart de ces drogues sont excrétées par le corps humain et rejetées dans les eaux usées domestiques en faisant par la suite leur chemin vers les usines municipales de traitement des eaux usées. On a pu démontrer qu'il y a un faible taux d’élimination à l'usine d'épuration pour le bézafibrate et l'énalapril. Ces deux composés ont aussi été détectés dans les eaux de surface sur un site à proximité immédiate de la décharge de l’effluent de la station d'épuration. i En observant la nécessité de l'amélioration des limites de détection de la première méthode analytique, une deuxième méthode a été développée. Pour la deuxième méthode, un total de 14 contaminants organiques, incluant trois agents anti-infectieux (clarithromycin, sulfaméthoxazole et triméthoprime), un anticonvulsant (carbamazépine) et son produit de dégradation (10,11-dihydrocarbamazépine), l'agent antihypertensif (enalapril), deux antinéoplastiques utilisés en chimiothérapie (cyclophosphamide et méthotrexate), des herbicides (atrazine, cyanazine, et simazine) et deux produits de transformation de l’atrazine (deséthylatrazine et déisopropylatrazine) ainsi qu’un agent antiseptique (triclocarban). Ces produits ont été quantifiés dans les eaux de surface ainsi que dans l’eau du robinet. L'amélioration des limites de détection pour cette méthode a été possible grâce à la charge d'un volume d'échantillon supérieur à celui utilisé dans la première méthode (10 mL vs 1 mL). D'autres techniques de confirmation, telles que les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle et la mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol, ont été explorées. L'utilisation d'un analyseur de masse à temps d’envol a permis la confirmation de 6 des 14 analytes. Finalement, étant donné leur haute toxicité et pour évaluer leur persistance et leur transformation au niveau du traitement des eaux potables, la cinétique d'oxydation du cyclophosphamide et de méthotrexate avec l'ozone moléculaire et des radicaux OH a été étudiée. Les constantes de dégradation avec l'ozone moléculaire ont été calculées et la qualité de l'eau après traitement a pu être évaluée. Le rendement du processus d'ozonation a été amélioré pour la cyclophosphamide dans les eaux naturelles, en raison de la combinaison de réactions directes et indirectes. Cette étude a montré que l'ozone est très efficace pour oxyder le méthotrexate mais que le cyclophosphamide serait trop lent à s’oxyder pour un traitement efficace aux conditions usuelles de traitement de l’eau potable.

Approche multidisciplinaire pour l’amélioration de l’estimation de l’exposition aux sous-produits de désinfection de l’eau en milieu domestique et en piscine

La désinfection de l’eau de consommation et des piscines induit la formation de sous-produits (SPD) potentiellement nocifs pour la santé, parmi lesquels les trihalométhanes (THM), les acides haloacétiques (HAA) et les chloramines (CAM). La difficulté d’estimer l’exposition humaine à ces SPD empêche de cerner précisément les risques sanitaires possiblement associés (i.e., cancérigènes, reprotoxiques, irritatifs). Nos travaux s’articulent autour d’une méthodologie consistant à intégrer des données d’occurrence environnementales à des modèles toxicocinétiques à base physiologique (TCBP) pour améliorer les mesures de l’exposition aux SPD. Cette approche multidisciplinaire veut prendre en compte de manière aussi appropriée que possible les deux composantes majeures des variations de cette exposition : les variations spatio-temporelles des niveaux de contamination environnementale et l’impact des différences inter- et intra-individuelles sur les niveaux biologiques. Cette thèse, organisée en deux volets qui explorent chacun successivement des aspects environnemental et biologique de la problématique, vise à contribuer au développement de cette stratégie innovante d’estimation de l’exposition et, plus généralement, à des meilleures pratiques en la matière. Le premier volet de la thèse s’intéresse à l’exposition en milieu domestique (i.e., résultant de l’utilisation de l’eau potable au domicile) et est consacré au cas complexe des THM, les plus abondants et volatils des SPD, absorbables par ingestion mais aussi par inhalation et voie percutanée. Les articles I et II, constitutifs de ce volet, documentent spécifiquement la question des variations inter- et intra- journalières de présence des SPD en réseau et de leurs impacts sur les estimateurs de l’exposition biologique. Ils décrivent l’amplitude et la diversité des variations à court terme des niveaux environnementaux, présentent les difficultés à proposer une façon systématique et « épidémiologiquement » pratique de les modéliser et proposent, de manière originale, une évaluation des mésestimations, somme toute modestes, des mesures biologiques de l’exposition résultant de leurs non-prise en compte. Le deuxième volet de la thèse se penche sur l’exposition aux SPD en piscine, d’un intérêt grandissant au niveau international, et se restreint au cas jugé prioritaire des piscines publiques intérieures. Ce volet envisage, pour quantifier l’exposition dans ce contexte particulier, l’extension de l’approche méthodologique préconisée, élaborée originellement pour application dans un contexte domestique : d’abord, à travers une analyse approfondie des variations des niveaux de contamination (eau, air) des SPD en piscine en vue de les modéliser (article III); puis en examinant, dans le cas particulier du chloroforme, le THM le plus abondant, la possibilité d’utiliser la modélisation TCBP pour simuler des expositions en piscine (article IV). Les résultats mettent notamment en évidence la difficulté d’appréhender précisément la contamination environnementale autrement que par un échantillonnage in situ tandis que la modélisation TCBP apparait, sur le plan toxicologique, comme l’outil le plus pertinent à ce jour, notamment au regard des autres approches existantes, mais qu’il convient d’améliorer pour mieux prédire les niveaux d’exposition biologique. Finalement, ces travaux illustrent la pertinence et la nécessité d’une approche multidisciplinaire et intégratrice et suggère, sur cette base, les pistes à explorer en priorité pour mieux évaluer l’exposition aux SPD et, in fine, cerner véritablement les risques sanitaires qui en résultent.

Analyse par spectrométrie de masse d’hormones stéroïdiennes dans les eaux usées et abattement par oxydation chimique

Thèse réalisée en cotutelle avec Michèle Prévost (Ph.D), Professeure titulaire au département des génies civil, géologique et des mines de l'École Polytechnique de Montréal.

A fibre optic evanescent wave sensor used for the detection of trace nitrites in water

A fibre optic technique for detecting trace amounts of nitrite compounds in water is described. The off-line fibre optic sensor outlined here is based on evanescent field absorption in a test solution formed by the reaction of nitrite compounds in water with suitable chemical reagents. A short unclad portion of a plastic clad silica fibre acts as the sensing region. The experimental results clearly establish the usefulness of the present technique for detecting very low concentrations of the order of 1 ppb (parts per billion) of nitrite compounds with a large dynamic range of 1–1000 ppb. Such a high sensitivity enables the present device to be used for measuring the nitrite content in drinking water.

“Hydro Geochemical Quality Assessment of Groundwater – A General Perspective”

People in several parts of the world as well in India countenance an immense confront to meet the basic needs of water. The crisis is not due to lack of fresh water but its availability in adequate superiority. Environmental quality objectives should be developed in order to define acceptable loads on the terrain. There has been a number of initiatives in water quality monitoring but the next step towards improving its quality hasn’t taken the required pace. Today, there is a growing need to create awareness among citizens on the different technologies available for improving the water quality. Monitoring facilitate to apprehend how land and water use distress the quality of water and assist in estimating the extent of pollution. Once these issues are recognized, people can work towards local solutions to manage the indispensable resource effectively. Ground waters are extremely precious resources and in many countries together with India they represent the most important drinking water supply. They are generally microbiologically pure and, in most cases, they do not need any treatment. This communiqué is intended to act as a channel on the various paraphernalia and techniques accessible for groundwater quality assessment and suggesting the assured precautionary measures to embark on environment management. This learning is imperative considering that groundwater as the exclusive source of drinking water in the region which not makes situation alarming but also calls for immediate attention. The scope of this work is somewhat vast. Water quality in Ernakulam district is getting deteriorated due to the fast growth of urbanization. The closure of several water bodies due to land development and construction prevents infiltration of rainwater into the ground and hence recharge the aquifers. Most of the aquifers are getting polluted from the industrial effluents and chemicals and fertilizers used in agriculture. Such serious issues require proper monitoring of groundwater and steps are to be taken for remedial measures. This study helps in the total protection of the rich resource of groundwater and its sustainability. Socio-economic aspect covered could be used for conducting further individual case studies and to suggest remedial measures on a scientific basis. The specific study taken up for 15 sites can be further extended to the sources of pollution, especially industrial and agriculture

The Phosphorus Indicators Tool: a simple model of diffuse P loss from agricultural land to water

The Phosphorus Indicators Tool provides a catchment-scale estimation of diffuse phosphorus (P) loss from agricultural land to surface waters using the most appropriate indicators of P loss. The Tool provides a framework that may be applied across the UK to estimate P loss, which is sensitive not only to land use and management but also to environmental factors such as climate, soil type and topography. The model complexity incorporated in the P Indicators Tool has been adapted to the level of detail in the available data and the need to reflect the impact of changes in agriculture. Currently, the Tool runs on an annual timestep and at a 1 km(2) grid scale. We demonstrate that the P Indicators Tool works in principle and that its modular structure provides a means of accounting for P loss from one layer to the next, and ultimately to receiving waters. Trial runs of the Tool suggest that modelled P delivery to water approximates measured water quality records. The transparency of the structure of the P Indicators Tool means that identification of poorly performing coefficients is possible, and further refinements of the Tool can be made to ensure it is better calibrated and subsequently validated against empirical data, as it becomes available.

Sialyloligosaccharides inhibit cholera toxin binding to the GM1 receptor

It is recognised that cholera toxin (Ctx) is a significant cause of gastrointestinal disease globally, particularly in developing countries where access to uncontaminated drinking water is at a premium. Ctx vaccines are prohibitively expensive and only give short-term protection. Consequently, there is scope for the development of alternative control strategies or prophylactics. This may include the use of oligosaccharides as functional mimics for the cell-surface toxin receptor (GM I). Furthermore, the sialic acid component of epithelial receptors has already been shown to contribute significantly to the adhesion and pathogenesis of Ctx. Here, we demonstrate the total inhibition of Ctx using GM1-competitive ELISA with 25 mg mL(-1) of a commercial preparation of sialyloligosaccharides (SOS). The IC50 value was calculated as 5.21 mg mL(-1). One-hundred percent inhibition was also observed at all concentrations of Ctx-HRP tested with 500 ng mL(-1) GM1-OS. Whilst SOS has much lower affinity for Ctx than GM1-OS, the commercial preparation is impure containing only 33.6% carbohydrate; however, the biantennary nature of SOS appears to give a significant increase in potency over constituent monosaccahride residues. It is proposed that SOS could be used as a conventional food additive, such as in emulsifiers, stabilisers or sweeteners, and are classified as nondigestible oligosaccharides that pass into the small intestine, which is the site of Ctx pathogenesis. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Galactooligosaccharides (GOS) inhibit Vibrio cholerae toxin binding to its GM1 receptor

It is widely reported that cholera toxin (Ctx) remains a significant cause of gastrointestinal disease globally, particularly in developing countries where access to clean drinking water is at a premium. Vaccines are prohibitively expensive and have shown only short-term protection. Consequently, there is scope for continued development of novel treatment strategies. One example is the use of galactooligosaccharides (GOS) as functional mimics for the cell-surface toxin receptor (GM1). In this study, GOS fractions were fractionated using cation exchange chromatography followed by structural characterization using a combination of hydrophilic interaction liquid chromatography (HILIC) and electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) such that their molecular weight profiles were known. Each profile was correlated against biological activity measured using a competitive inhibitory GM1-linked ELISA. GOS fractions containing > 5% hexasaccharides (DP6) exhibited > 90% binding, with EC50 values between 29.27 and 56.04 mg/mL. Inhibition by GOS DP6, was dose dependent, with an EC50 value of 5.10 mg/mL (5.15 mu M MW of 990 Da). In removing low molecular weight carbohydrates that do possess prebiotic, nutraceutical, and/or biological properties and concentrating GOS DP5 and/or DP6, Ctx antiadhesive activity per unit of (dry) weight was improved. This could be advantageous in the manufacture of pharmaceutical or nutraceutical formulations for the treatment or prevention of an acute or chronic disease associated with or caused by the adhesion and/or uptake of a Ctx or HLT.

Final report on research project PS2010, proof of concept of automated mapping of weeds in arable fields

Many weeds occur in patches but farmers frequently spray whole fields to control the weeds in these patches. Given a geo-referenced weed map, technology exists to confine spraying to these patches. Adoption of patch spraying by arable farmers has, however, been negligible partly due to the difficulty of constructing weed maps. Building on previous DEFRA and HGCA projects, this proposal aims to develop and evaluate a machine vision system to automate the weed mapping process. The project thereby addresses the principal technical stumbling block to widespread adoption of site specific weed management (SSWM). The accuracy of weed identification by machine vision based on a single field survey may be inadequate to create herbicide application maps. We therefore propose to test the hypothesis that sufficiently accurate weed maps can be constructed by integrating information from geo-referenced images captured automatically at different times of the year during normal field activities. Accuracy of identification will also be increased by utilising a priori knowledge of weeds present in fields. To prove this concept, images will be captured from arable fields on two farms and processed offline to identify and map the weeds, focussing especially on black-grass, wild oats, barren brome, couch grass and cleavers. As advocated by Lutman et al. (2002), the approach uncouples the weed mapping and treatment processes and builds on the observation that patches of these weeds are quite stable in arable fields. There are three main aspects to the project. 1) Machine vision hardware. Hardware component parts of the system are one or more cameras connected to a single board computer (Concurrent Solutions LLC) and interfaced with an accurate Global Positioning System (GPS) supplied by Patchwork Technology. The camera(s) will take separate measurements for each of the three primary colours of visible light (red, green and blue) in each pixel. The basic proof of concept can be achieved in principle using a single camera system, but in practice systems with more than one camera may need to be installed so that larger fractions of each field can be photographed. Hardware will be reviewed regularly during the project in response to feedback from other work packages and updated as required. 2) Image capture and weed identification software. The machine vision system will be attached to toolbars of farm machinery so that images can be collected during different field operations. Images will be captured at different ground speeds, in different directions and at different crop growth stages as well as in different crop backgrounds. Having captured geo-referenced images in the field, image analysis software will be developed to identify weed species by Murray State and Reading Universities with advice from The Arable Group. A wide range of pattern recognition and in particular Bayesian Networks will be used to advance the state of the art in machine vision-based weed identification and mapping. Weed identification algorithms used by others are inadequate for this project as we intend to collect and correlate images collected at different growth stages. Plants grown for this purpose by Herbiseed will be used in the first instance. In addition, our image capture and analysis system will include plant characteristics such as leaf shape, size, vein structure, colour and textural pattern, some of which are not detectable by other machine vision systems or are omitted by their algorithms. Using such a list of features observable using our machine vision system, we will determine those that can be used to distinguish weed species of interest. 3) Weed mapping. Geo-referenced maps of weeds in arable fields (Reading University and Syngenta) will be produced with advice from The Arable Group and Patchwork Technology. Natural infestations will be mapped in the fields but we will also introduce specimen plants in pots to facilitate more rigorous system evaluation and testing. Manual weed maps of the same fields will be generated by Reading University, Syngenta and Peter Lutman so that the accuracy of automated mapping can be assessed. The principal hypothesis and concept to be tested is that by combining maps from several surveys, a weed map with acceptable accuracy for endusers can be produced. If the concept is proved and can be commercialised, systems could be retrofitted at low cost onto existing farm machinery. The outputs of the weed mapping software would then link with the precision farming options already built into many commercial sprayers, allowing their use for targeted, site-specific herbicide applications. Immediate economic benefits would, therefore, arise directly from reducing herbicide costs. SSWM will also reduce the overall pesticide load on the crop and so may reduce pesticide residues in food and drinking water, and reduce adverse impacts of pesticides on non-target species and beneficials. Farmers may even choose to leave unsprayed some non-injurious, environmentally-beneficial, low density weed infestations. These benefits fit very well with the anticipated legislation emerging in the new EU Thematic Strategy for Pesticides which will encourage more targeted use of pesticides and greater uptake of Integrated Crop (Pest) Management approaches, and also with the requirements of the Water Framework Directive to reduce levels of pesticides in water bodies. The greater precision of weed management offered by SSWM is therefore a key element in preparing arable farming systems for the future, where policy makers and consumers want to minimise pesticide use and the carbon footprint of farming while maintaining food production and security. The mapping technology could also be used on organic farms to identify areas of fields needing mechanical weed control thereby reducing both carbon footprints and also damage to crops by, for example, spring tines. Objective i. To develop a prototype machine vision system for automated image capture during agricultural field operations; ii. To prove the concept that images captured by the machine vision system over a series of field operations can be processed to identify and geo-reference specific weeds in the field; iii. To generate weed maps from the geo-referenced, weed plants/patches identified in objective (ii).