Talk on water ecological economics and participatory watershed governance

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Ambiente pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Water-contact patterns and risk factors for Schistosoma mansoni infection in a rural village of Northeast Brazil

Schistosomiasis mansoni in the Serrano village, municipality of Cururupu, state of Maranhão, Brazil, is a widely spread disease. The PECE (Program for the Control of Schistosomiasis), undertaken since 1979 has reduced the prevalence of S. mansoni infection and the hepatosplenic form of the disease. Nevertheless piped water is available in 84% of the households, prevalence remains above 20%. In order to identify other risk factors responsible for the persistence of high prevalence levels, a cross-sectional survey was carried out in a systematic sample of 294 people of varying ages. Socioeconomic, environmental and demographic variables, and water contact patterns were investigated. Fecal samples were collected and analyzed by the Kato-Katz technique. Prevalence of S. mansoni infection was 24.1%, higher among males (35.5%) and between 10-19 years of age (36.6%). The risk factors identified in the univariable analysis were water contacts for vegetable extraction (Risk Ratio - RR = 2.92), crossing streams (RR = 2.55), bathing (RR = 2.35), fishing (RR = 2.19), hunting (RR = 2.17), cattle breeding (RR = 2.04), manioc culture (RR = 1.90) and leisure (RR = 1.56). After controlling for confounding variables by proportional hazards model the risks remained higher for males, vegetable extraction, bathing in rivers and water contact in rivers or in periodically inundated parts of riverine woodland (swamplands)

Differentiation of pathogenic and non-pathogenic leptospires by means of the polymerase chain reaction

A polymerase chain reaction was carried out to detect pathogenic leptospires isolated from animals and humans in Argentina. A double set of primers (G1/G2, B64-I/B64-II), described before, were used to amplify by PCR a DNA fragment from serogroups belonging to Leptospira interrogans but did not allow to detect saprophytic strains isolated from soil and water (L. biflexa). This fact represents an advantage since it makes possible the differentiation of pathogenic from non-pathogenic leptospires in cultures. The sensitivity of this assay has been determined, allowing to detect just only 10 leptospires in the reaction tube. Those sets of primers generated either a 285 bp or 360 bp fragment, depending on the pathogenic strain

Recovery of acid and base from brackish water by bipolar membrane electrodialysis

Nesta dissertação pretendeu-se estudar a viabilidade do uso de eletrodiálise com membranas bipolares (BM) na recuperação de ácido clorídrico e de hidróxido de sódio a partir de um efluente industrial que contém 1.4 mol/L de cloreto de sódio. Estas membranas mostraram ser uma ferramenta eficiente para a produção de ácidos e bases a partir do respetivo sal. Foi feita uma seleção de diferentes membranas bipolares (Neosepta, Fumatech e PCA) e aniónicas (PC-SA e PC-ACID 60) na tentativa de encontrar a combinação mais adequada para o tratamento do efluente. Dependendo do critério, o melhor arranjo de membranas é o uso de PC-ACID 60 (membrana aniónica), PC-SK (membrana catiónica) e membranas bipolares do tipo Neosepta para maior pureza dos produtos; membranas bipolares Fumatech para maior eficiência de dessalinização e membranas bipolares PCA para um maior grau de dessalinização. Tecnologicamente foi possível obter uma dessalinização de 99.8% em quatro horas de funcionamento em modo batch com recirculação de todas as correntes. Independentemente da combinação usada é recomendável que o processo seja parado quando a densidade de corrente deixa de ser máxima, 781 A/m2. Assim é possível evitar o aumento de impurezas nos produtos, contra difusão, descida instantânea do pH e uma dessalinização pouco eficiente. A nível piloto o principal fornecedor de membranas e unidade de tratamento “stack” é a marca alemã PCA. Sendo assim realizaram-se ensaios de repetibilidade, contra difusão, avaliação económica e upscaling utilizando as membranas bipolares PCA. A nível económico estudou-se o uso de dois tipos de unidades de tratamento; EDQ 380 e EDQ 1600, para diferentes níveis de dessalinização (50, 75 e 80%). Tendo em conta a otimização económica, é recomendável uma dessalinização máxima de 80%, uma vez que a eficiência de processo a este ponto é de 40%. A aplicação do método com a unidade EDQ 1600 para uma dessalinização de 50% é a mais vantajosa economicamente, com custos de 16 €/m3 de efluente tratado ou 0,78 €/kg Cl- removido. O número de unidades necessárias é 4 posicionados em série.

QUESTIONNAIRES IN THE SCREENING FOR Schistosoma mansoni INFECTION: A STUDY OF SOCIO DEMOGRAPHIC AND WATER CONTACT VARIABLES IN FOUR COMMUNITIES IN BRAZIL

The use of questionnaires has been recommended for identifying, at a lower cost, individuals at risk for schistosomiasis. In this study, validity of information obtained by questionnaire in the screening for Schistosoma mansoni infection was assessed in four communities in the State of Minas Gerais, Brazil. Explanatory variables were water contact activities, sociodemographic characteristics and previous treatment for schistosomiasis. From 677, 1474, 766 and 3290 individuals eligible for stool examination in the communities, 89 to 97% participated in the study. The estimated probability of individuals to be infected, if they have all characteristics identified as independently associated with S.mansoni infection, varied from 15% in Canabrava, to 42% in Belo Horizonte, 48% in Comercinho and 80% in São José do Acácio. Our results do not support the hypothesis that a same questionnaire on risk factors could be used in screening for S.mansoni infection in different communities.

Avaliação da qualidade do ar e classificação energética de uma piscina coberta e propostas de melhoria

A presente dissertação tem dois objetivos, o primeiro é a realização de uma auditoria energética e avaliação da qualidade do ar às instalações de uma Piscina Municipal, permitindo a sua classificação energética, e o segundo é o estudo de propostas de melhoria que contribuam para uma melhor eficiência energética do edifício. Na análise à qualidade do ar interior os parâmetros avaliados encontravam-se todos dentro dos limites estabelecidos por lei, com exceção dos valores de COVs que em dois pontos de medição (ambos na nave) ultrapassaram os limites estabelecidos por lei. A auditoria ao edifício permitiu verificar que o caudal mínimo de água nova nas piscinas imposto por lei é cumprido pela instalação. No que diz respeito ao caudal de ar novo introduzido, este apenas é respeitado quando a unidade de tratamento de ar está a debitar 100% da sua capacidade. Quando a unidade opera a 50% da sua capacidade apresenta um défice de 5% do valor mínimo estabelecido. Relativamente às perdas energéticas associadas aos tanques de natação, estas apresentam um valor de 95,89 kW, em que 59,09 kW dizem respeito às perdas por evaporação. Foi também possível concluir que as perdas por evaporação representam cerca de 39% da energia calorifica produzida nas caldeiras. O edifício apresenta um consumo anual de eletricidade de 166 482 kWh em que 69% deste valor é provocado pelas unidades de tratamento de ar e a iluminação apresenta apenas um peso de 3%. Em relação ao gás natural consumido pelas caldeiras o seu valor anual é de 1 317 240 kWh. A simulação dinâmica do edifício permitiu concluir que este apresenta um IEE de 1 269,9 kWh/m2.ano. O rácio de classe energética (RIEE) é de 1,24 o que significa que o edifício pertence à classe energética C. As medidas estudadas para a melhoria da eficiência energética, nomeadamente integração energética com uma central de ciclo combinado, aplicação de cobertura isotérmica nas piscinas e substituição do telhado na zona da nave, mostraram-se viáveis. O estudo da possibilidade da realização de uma integração energética permitiu concluir que a poupança anual é de 9 374 € e o investimento é recuperado em menos de 1,5 anos. Relativamente à aplicação de cobertura isotérmica o investimento é de 14 000 € e é recuperado em 2 anos. A substituição do telhado na zona da nave tem um investimento de 20 500 € e a recuperação realiza-se num período de 3,5 anos.

Biochemistry of grape berries: post-genomics approaches to uncover the effects of water deficits on ripening

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry, Plant Physiology

Occurrence of Cryptosporidium oocysts and Giardia cysts in raw water from the Atibaia river, Campinas, Brazil

Cryptosporidium parvum and Giardia duodenalis are waterborne parasites that have caused several outbreaks of gastrointestinal disease associated with drinking water. Due to the lack of studies about the occurrence of these protozoa in water in the Southeast of Brazil, an investigation was conducted to verify the presence of cysts and oocysts in superficial raw water of the Atibaia River. The water samples were submitted to membrane filtration (3.0 mum) and elution was processed by (1) scraping and rinsing of membrane (RM method) and (2) acetone-dissolution (ADM method). Microbiologic and chemical parameters were analyzed. Aliquots of the pellets were examined by immunofluorescence (Merifluor, Meridian Diagnostics, Cincinnati, Ohio). All water samples were positive for Cryptosporidium and Giardia, in spite of the high turbidity. Higher recovery rates occurred in samples treated by the RM method than by the ADM technique. The goal for future work is the assessment of viability of cysts and oocysts to determine the public health significance of this finding.

Otimização Energética na Produção de Biodiesel

Enquadrado num contexto cada vez mais marcado pela necessidade imperiosa de adoção e desenvolvimento de práticas ambientais e energeticamente sustentáveis, este trabalho visa contribuir para a caracterização e otimização do consumo de energia na produção de biodiesel. O biodiesel pode ser encarado como uma boa resposta aos graves problemas que os combustíveis fósseis estão a provocar nas sociedades modernas, pois é uma fonte de energia biodegradável, não-tóxica e sintetizada a partir de várias matérias-primas. Porém, o elevado custo de produção, como consequência do elevado preço das matérias-primas, constitui o maior problema para a sua implementação e comercialização a grande escala. A produção de biodiesel é, em sua quase totalidade, conduzida por via de reação de transesterificação, usando óleo vegetal e álcool como matérias-primas. O objetivo geral deste trabalho é otimizar energeticamente um processo de produção de biodiesel, via catálise homogênea alcalina (BCHA). Para alcançar esse objetivo, um fluxograma típico de produção foi construído e analisado, tanto do ponto de vista energético como econômico. Posteriormente oportunidades de otimização do processo foram identificadas, no sentido de reduzir o consumo de utilidades, impacto ambiental e aumentar a rentabilidade econômica. A construção do processo, a caracterização da alimentação, os critérios de operacionalidade, a obtenção de resultados e demais fatores foram efetuados com auxílio de um software de simulação Aspen Plus versão 20.0 criado pela Aspen Technology products. Os resultados do trabalho revelaram que o processo BCHA produz uma corrente com 99,9 % em biodiesel, obedecendo às normas internacionais em vigor. Na parte energética, o processo BCHA base necessitou de 21.405,1 kW em utilidades quentes e 14.886,3 kW em utilidades frias. A integração energética do processo BCHA, segundo a metodologia pinch, permitiu uma redução das necessidades quentes para 10.752,3 kW (redução de 50 %) e frias para 4.233,5 kW (redução de 72 %). A temperatura no ponto de estrangulamento (PE) foi de 157,7 ºC nas correntes quentes e 147,7 ºC nas correntes frias. Em termos econômicos, o custo total é reduzido em 35% com a integração energética proposta. Essa diminuição, deve-se sobretudo à redução do custo operacional, onde as necessidades de vapor de muita alta pressão (VMAP), vapor de alta pressão (VAP) e água de resfriamento (AR) apresentaram quebras de 2 %, 92 % e 71 %, respectivamente. Como conclusão final, salienta-se que a integração do processo BCHA estudado é energética e economicamente viável.

Recycling old screen-printed electrodes with newly designed plastic antibodies on the wall of carbon nanotubes as sensory element for in situ detection of bacterial toxins in water

Using low cost portable devices that enable a single analytical step for screening environmental contaminants is today a demanding issue. This concept is here tried out by recycling screen-printed electrodes that were to be disposed of and by choosing as sensory element a low cost material offering specific response for an environmental contaminant. Microcystins (MCs) were used as target analyte, for being dangerous toxins produced by cyanobacteria released into water bodies. The sensory element was a plastic antibody designed by surface imprinting with carefully selected monomers to ensure a specific response. These were designed on the wall of carbon nanotubes, taking advantage of their exceptional electrical properties. The stereochemical ability of the sensory material to detect MCs was checked by preparing blank materials where the imprinting stage was made without the template molecule. The novel sensory material for MCs was introduced in a polymeric matrix and evaluated against potentiometric measurements. Nernstian response was observed from 7.24 × 10−10 to 1.28 × 10−9 M in buffer solution (10 mM HEPES, 150 mM NaCl, pH 6.6), with average slopes of −62 mVdecade−1 and detection capabilities below 1 nM. The blank materials were unable to provide a linear response against log(concentration), showing only a slight potential change towards more positive potentials with increasing concentrations (while that ofthe plastic antibodies moved to more negative values), with a maximum rate of +33 mVdecade−1. The sensors presented good selectivity towards sulphate, iron and ammonium ions, and also chloroform and tetrachloroethylene (TCE) and fast response (<20 s). This concept was successfully tested on the analysis of spiked environmental water samples. The sensors were further applied onto recycled chips, comprehending one site for the reference electrode and two sites for different selective membranes, in a biparametric approach for “in situ” analysis.

Novel optical PVC probes for on-site detection/determination of fluoroquinolones in a solid/liquid interface: Application to the determination of Norfloxacin in aquaculture water

A novel optical disposable probe for screening fluoroquinolones in fish farming waters is presented, having Norfloxacin (NFX) as target compound. The colorimetric reaction takes place in the solid/liquid interface consisting of a plasticized PVC layer carrying the colorimetric reagent and the sample solution. NFX solutions dropped on top of this solid-sensory surface provided a colour change from light yellow to dark orange. Several metals were tested as colorimetric reagents and Fe(III) was selected. The main parameters affecting the obtained colour were assessed and optimised in both liquid and solid phases. The corresponding studies were conducted by visible spectrophotometry and digital image acquisition. The three coordinates of the HSL model system of the collected image (Hue, Saturation and Lightness) were obtained by simple image management (enabled in any computer). The analytical response of the optimised solid-state optical probe against concentration was tested for several mathematical transformations of the colour coordinates. Linear behaviour was observed for logarithm NFX concentration against Hue+Lightness. Under this condition, the sensor exhibited a limit of detection below 50 μM (corresponding to about 16 mg/mL). Visual inspection also enabled semi-quantitative information. The selectivity was ensured against drugs from other chemical groups than fluoroquinolones. Finally, similar procedure was used to prepare an array of sensors for NFX, consisting on different metal species. Cu(II), Mn(II) and aluminon were selected for this purpose. The sensor array was used to detect NFX in aquaculture water, without any prior sample manipulation.

Solid contact PVC membrane electrodes based on neutral or charged carriers for the selective reading of anionic sulfamethoxazole and their application to the analysis of aquaculture water

Sulfamethoxazole (SMX) is among the antibiotics employed in aquaculture for prophylactic and therapeutic reasons. Environmental and food spread may be prevented by controlling its levels in several stages of fish farming. The present work proposes for this purpose new SMX selective electrodes for the potentiometric determination of this sulphonamide in water. The selective membranes were made of polyvinyl chloride (PVC) with tetraphenylporphyrin manganese (III) chloride or cyclodextrin-based acting as ionophores. 2-nitrophenyl octyl ether was employed as plasticizer and tetraoctylammonium, dimethyldioctadecylammonium bromide or potassium tetrakis (4-chlorophenyl) borate was used as anionic or cationic additive. The best analytical performance was reported for ISEs of tetraphenylporphyrin manganese (III) chloride with 50% mol of potassium tetrakis (4-chlorophenyl) borate compared to ionophore. Nersntian behaviour was observed from 4.0 × 10−5 to 1.0 × 10−2 mol/L (10.0 to 2500 µg/mL), and the limit of detection was 1.2 × 10−5 mol/L (3.0 µg/mL). In general, the electrodes displayed steady potentials in the pH range of 6 to 9. Emf equilibrium was reached before 15 s in all concentration levels. The electrodes revealed good discriminating ability in environmental samples. The analytical application to contaminated waters showed recoveries from 96 to 106%.

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.

Carbon key-properties for microcystin adsorption in drinking water treatment: structure or surface chemistry?

Dissertação para Obtenção de Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica