Complexity and Conundrums in Pollution Control:Improving Effectiveness in Regulatory Compliance

The last century has witnessed a dramatic increase in the wealth of European nations and the well being of their inhabitants. The focus has, however, largely been upon economic growth to the detriment of people and the environment. It is only in recent years that governments have taken cognisance of the impacts of our actions and there is a growing realisation that the causal factors must be identified and addressed as a matter of urgency. One of the key problem areas is pollution and as such environmental protection has become increasingly important as a mechanism for safeguarding the quality of air, water and land. This involves a range of activities from setting standards to monitoring and reporting on discharges and emissions, through to the enforcement of legislation. In theory, this is a simple challenge, in practice, it has proven to be an extremely complex equation that might only begin to be addressed through research. In this context it is strange, and alarming, to find that while it is an axiom of good practice that policy is informed by research there has been a dearth of investigation in this field. The purpose of this paper is, therefore, to consider the issue of pollution, how it impacts on the environment, what measures have been established in pursuit of reducing the number of incidences and, most significantly, which strategies might be employed to avoid or ameliorate detrimental impacts.

Limitations of instantaneous water quality sampling in surface-water catchments: Comparison with near-continuous phosphorus time-series data.

The validity of load estimates from intermittent, instantaneous grab sampling is dependent on adequate spatial coverage by monitoring networks and a sampling frequency that re?ects the variability in the system under study. Catchments with a ?ashy hydrology due to surface runoff pose a particular challenge as intense short duration rainfall events may account for a signi?cant portion of the total diffuse transfer of pollution from soil to water in any hydrological year. This can also be exacerbated by the presence of strong background pollution signals from point sources during low flows. In this paper, a range of sampling methodologies and load estimation techniques are applied to phosphorus data from such a surface water dominated river system, instrumented at three sub-catchments (ranging from 3 to 5 km2 in area) with near-continuous monitoring stations. Systematic and Monte Carlo approaches were applied to simulate grab sampling using multiple strategies and to calculate an estimated load, Le based on established load estimation methods. Comparison with the actual load, Lt, revealed signi?cant average underestimation, of up to 60%, and high variability for all feasible sampling approaches. Further analysis of the time series provides an insight into these observations; revealing peak frequencies and power-law scaling in the distributions of P concentration, discharge and load associated with surface runoff and background transfers. Results indicate that only near-continuous monitoring that re?ects the rapid temporal changes in these river systems is adequate for comparative monitoring and evaluation purposes. While the implications of this analysis may be more tenable to small scale ?ashy systems, this represents an appropriate scale in terms of evaluating catchment mitigation strategies such as agri-environmental policies for managing diffuse P transfers in complex landscapes.

Integrating wind power using intelligent electric water heating

Dwindling fossil fuel resources and pressures to reduce greenhouse gas emissions will result in a more diverse range of generation portfolios for future electricity systems. Irrespective of the portfolio mix the overarching requirement for all electricity suppliers and system operators is to instantaneously meet demand, to operate to standards and reduce greenhouse gas emissions. Therefore all electricity market participants will ultimately need to use a variety of tools to balance the power system. Thus the role of demand side management with energy storage will be paramount to integrate future diverse generation portfolios. Electric water heating has been studied previously, particularly at the domestic level to provide load control, peak shave and to bene?t end-users ?nancially with lower bills, particularly in vertically integrated monopolies. In this paper a number of continuous direct load control demand response based electric water heating algorithms are modelled to test the effectiveness of wholesale electricity market signals to study the system bene?ts. The results are compared and contrasted to determine which control algorithm showed the best potential for energy savings, system marginal price savings and wind integration.

Low flow water quality in rivers; septic tank systems and high-resolution phosphorus signals

Rural point sources of phosphorus (P), including septic tank systems, provide a small part of the overall phosphorus budget to surface waters in agricultural catchments but can have a disproportionate impact on the low flow P concentration of receiving rivers. This has particular importance as the discharges are approximately constant into receiving waters and these have restricted dilution capacity during ecologically sensitive summer periods. In this study, a number of identified high impact septic systems were replaced with modern sequential batch reactors in three rural catchments during a monitoring period of 4 years. Sub-hourly P monitoring was conducted using bankside-analysers. Results show that strategic replacement of defective septic tank systems with modern systems and polishing filters decreased the low flow P concentration of one catchment stream by 0.032 mg TP L- 1 (0.018 mg TRP L- 1) over the 4 years. However two of the catchment mitigation efforts were offset by continued new-builds that increased the density of septic systems from 3.4 km- 2 to 4.6 km- 2 and 13.8 km- 2 to 17.2 km- 2 and subsequently increased low flow P concentrations. Future considerations for septic system mitigation should include catchment carrying capacity as well as technology changes.

A field study assessing the impact of on-site wastewater treatment systems on surface water quality in a Co. Monaghan catchment

Poorly functioning on-site wastewater treatment systems (OSWTS) can be among the many sources of pollution to groundwater and surface water, which are of critical concern owing to potential human and ecological health risks. An investigation into the effects of on-site wastewater treatment systems (OSWTS) on surface water quality has been undertaken at several sites within a catchment in Co. Monaghan. The study sites were located in areas of 'low’ permeability, suggesting that run-off usually dominates over infiltration. Poor treatment performance of OSWTS within the catchment were found to be the result of several factors, including location in areas with unsuitable soil and site characteristics, incorrect installation, poor maintenance and inappropriate operation by the home owner.

Soil Moisture Deficit as a predictor of the trend in soil water status of grass fields

Nutrient loss from agricultural land following organic fertilizer spreading can lead to eutrophication and poor water quality. The risk of pollution is partly related to the soil water status during and after spreading. In response to these issues, a decision support system (DSS) for nutrient management has been developed to predict when soil and weather conditions are suitable for slurry spreading. At the core of the DSS, the Hybrid Soil Moisture Deficit (HSMD) model estimates soil water status relative to field capacity (FC) for three soil classes (well, moderately and poorly drained) and has potential to predict the occurrence of a transport vector when the soil is wetter than FC. Three years of field observation of volumetric water content was used to validate HSMD model predictions of water status and to ensure correct use and interpretation of the drainage classes. Point HSMD model predictions were validated with respect to the temporal and spatial variations in volumetric water content and soil strength properties. It was found that the HSMD model predictions were well related to topsoil water content through time, but a new class intermediate between poor and moderate, perhaps ‘imperfectly drained’, was needed. With correct allocations of a field into a drainage class, the HSMD model predictions reflect field scale trends in water status and therefore the model is suitable for use at the core of a DSS.

Effect of organic matter amendment, arsenic amendment and water management regime on rice grain arsenic species

Arsenic accumulation in rice grain has been identified as a major problem in some regions of Asia. A study was conducted to investigate the effect of increased organic matter in the soil on the release of arsenic into soil pore water and accumulation of arsenic species within rice grain. It was observed that high concentrations of soil arsenic and organic matter caused a reduction in plant growth and delayed flowering time. Total grain arsenic accumulation was higher in the plants grown in high soil arsenic in combination with high organic matter, with an increase in the percentage of organic arsenic species observed. The results indicate that the application of organic matter should be done with caution in paddy soils which have high soil arsenic, as this may lead to an increase in accumulation of arsenic within rice grains. Results also confirm that flooding conditions substantially increase grain arsenic. (c) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Arsenic, cadmium, and lead pollution and uptake by rice (Oryza sativa L.) grown in greenhouse

Purpose: Hunan province is well-known for its extensive base-metal extraction and smelting industries. However, the legacies of excavation operations, transportation, and selective smelting activities within Hunan have resulted in the generation of large quantities of mine wastes, which will become the sources of metal contamination in the environment. Thus, there is an increasingly important health issue underlying the study of arable land pollution and transfer of As, Cd, and Pb in the paddy soil–rice system.
Materials and methods: Paddy soils collected from mining- and smelting-impacted areas in Hunan province and rice seed (Oryza sativa L. cv Jia Hua-1) were used for pot experiments under greenhouse conditions. One 30-day-old seedling was transplanted into one pot containing 5.0 kg pretreated soil. At harvest, rice grains and shoots were washed with distilled water to remove surface soil, and oven-dried at 65°C for 96 h until a constant weight was reached. Roots were washed carefully with distilled water for the next process of extracting iron plaque using dithionite–citrate–bicarbonate solution. Total concentrations of As, Cd, and Pb in soil and rice plant tissues were measured by inductively coupled plasma mass spectrometer.
Results and discussion: Total concentrations of As, Cd, and Pb in the soils collected from 12 mining- and smelting-impacted areas in Hunan province were much higher than Hunan background values and exceeded the maximum concentration limit for soils set by the Ministry of Environmental Protection. The yields of rice grain from Pb/Zn mining and smelting sites were negatively correlated to overall pollution scores. Distributions of As, Cd, and Pb in rice plant followed: root >> shoot > husk > whole grain. About 30.1–88.1% of As, 11.2–43.5% of Cd, and 14.0–33.9% of Pb were accumulated in iron plaque on root surfaces.
Conclusions: High concentrations of As, Cd, and Pb are observed in paddy soils from mining- and smelting-impacted areas in Hunan province, indicating those paddy soils suffer serious combined heavy metal contamination. In particular, Cd is the dominant contaminant followed by As and Pb in paddy soils from most locations. The distributions of As, Cd, and Pb in rice tissue were: root >> shoot > husk > whole grain. Concentrations of Pb in all whole grain and of As and Cd in 50% of whole grain samples exceeded Chinese Hygienic Standard values for food.

Removal of microorganisms and their chemical metabolites from water using semiconductor photocatalysis

Semiconductor photocatalysis has been applied to the remediation of an extensive range of chemical pollutants in water over the past 30 years. The application of this versatile technology for removal of micro-organisms and cyanotoxins has recently become an area that has also been the subject of extensive research particularly over the past decade. This paper considers recent research in the application of semiconductor photocatalysis for the treatment of water contaminated with pathogenic micro-organisms and cyanotoxins. The basic processes involved in photocatalysis are described and examples of recent research into the use of photocatalysis for the removal of a range of microorganisms are detailed. The paper concludes with a review of the key research on the application of this process for the removal of chemical metabolites generated from cyanobacteria.

Determinant factors for the use of imposex in TBT pollution monitoring

Os compostos de tributilestanho (TBT) foram utilizados como biocidas em tintas antivegetativas (AV) e amplamente aplicados, durante décadas, de forma a evitar a bioincrustação em superfícies submersas, principalmente em cascos de embarcações. Os seus efeitos deletérios em organismos não-alvo tornaram-se evidentes após o aparecimento de gastrópodes prosobrâquios com imposex – sobreposição de caracteres sexuais masculinos sobre o tracto reprodutivo das fêmeas. Desde então, a expressão do imposex em prosobrânquios tem sido amplamente utilizada como biomarcador da poluição por TBT. Um dos objectivos da presente tese é avaliar se as mais recentes restrições legais na utilização das tintas AV com compostos organoestânicos (OTs) resultaram numa redução da poluição pelos mesmos na costa continental Portuguesa. Para tal, foi levada a cabo a análise da variação temporal do imposex como biomarcador dos níveis ambientais de TBT e a validação de procedimentos, de modo a seguir de forma precisa a evolução da intensidade deste fenómeno ao longo do tempo. O trabalho de investigação teve início no momento em que a ineficácia da legislação anterior (Directiva 89/677/CEE) na redução da poluição por TBT no litoral Português era reportada na literatura e quando estavam já agendados instrumentos decisivos para a diminuição definitiva deste tipo de poluição: o Regulamento (CE) N.º 782/2003 do Parlamento e do Conselho da União Europeia (UE) que bania as tintas AV baseadas em TBT na sua frota a partir de 1 de Julho de 2003; a "Convenção Internacional sobre o Controlo de Sistemas Antivegetativos Nocivos em Navios” (Convenção AFS), adoptada em 2001 pela Organização Marítima Internacional (OMI), que procurava erradicar os OTs da frota mundial até 2008. Os níveis de imposex e as concentrações de OTs nos tecidos de fêmeas de Nucella lapillus foram medidos em 17 locais de amostragem ao longo da costa Portuguesa em 2003, a fim de se avaliarem os impactos do TBT nas populações desta espécie e de se criar uma base de dados para seguir a sua evolução futura. O índice da sequência do vaso deferente (VDSI), o índice do tamanho relativo do pénis (RPSI) e a percentagem de fêmeas afectadas por imposex (%I) foram utilizados na medição da intensidade deste fenómeno em cada local de amostragem e os seus valores variaram entre 0,20-4,04, 0,0- 42,2% e 16,7-100,0%, respectivamente. Foram encontradas fêmeas estéreis em 3 locais de amostragem, com percentagens a variar entre 4,0 e 6,2%. As concentrações de TBT e dibutilestanho (DBT) nas fêmeas variaram respectivamente entre 23-138 e <10-62 ng Sn.g-1 de peso seco, e o conteúdo em TBT nos tecidos revelou-se significativamente correlacionado com o imposex (nomeadamente com o RPSI e o VDSI). Os níveis de expressão do fenómeno e o conteúdo em OTs nos tecidos, foram superiores na proximidade de portos, confirmando as conclusões obtidas anteriormente por outros autores de que os navios e a actividade dos estaleiros são as principais fontes destes compostos no litoral Português. As infra-estruturas associadas ás principais fontes de OTs – portos, estaleiros e marinas – estão geralmente localizadas no interior de estuários, motivo pelo qual estas áreas têm vindo a ser descritas como as mais afectadas por estes poluentes. Por esta razão, foi levado a cabo o estudo pormenorizado da poluição por TBT na Ria de Aveiro, como caso de estudo representativo da poluição por estes compostos num sistema estuarino em Portugal continental. N. lapillus foi usada como bioindicador para avaliar a tendência temporal da poluição por TBT nesta área entre 1997 e 2007. Foi registada uma diminuição da intensidade do imposex após 2003, embora as melhorias mais evidentes tenham sido observadas entre 2005 e 2007, provavelmente devido à implementação do Regulamento (CE) N.º 782/2003 que proibiu a aplicação de tintas AV com TBT em navios com a bandeira da UE. Apesar desses progressos, as análises ao conteúdo em OTs nos tecidos de fêmeas de N. lapillus e em amostras de água colhidas em 2006 indicaram contaminação recente por TBT na área de estudo, evidenciando assim a permanência de fontes de poluição. A utilização de N. lapillus como bioindicador da poluição por TBT na Ria de Aveiro apresenta algumas limitações uma vez que a espécie não ocorre nas áreas mais interiores da Ria e não vive em contacto com sedimentos. Assim, a informação obtida a partir da sua utilização como bioindicador é fundamentalmente relativa aos níveis de TBT na coluna de água. Foi então necessário recorrer a um bioindicador complementar – Hydrobia ulvae – para melhor avaliar a evolução temporal da poluição por TBT no interior deste sistema estuarino e estudar a persistência de TBT nos sedimentos. Não foi registada uma diminuição dos níveis de imposex em H. ulvae na Ria de Aveiro entre 1998 e 2007, apesar da aplicação do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Pelo contrário, houve um aumento global significativo da percentagem de fêmeas afectadas por imposex e um ligeiro aumento do VDSI, contrastando com o que tem sido descrito para outros bioindicadores na Ria de Aveiro no mesmo período. Estes resultados mostram que a diferente biologia/ecologia das espécies indicadoras determina vias distintas de acumulação de TBT, apontando a importância da escolha do bioindicador dependendo do compartimento a ser monitorizado (sedimento versus água). A ingestão de sedimento como hábito alimentar em H. ulvae foi discutida como sendo a razão para a escolha da espécie como indicadora da contaminação dos sedimentos por TBT. Foram também estudados os métodos mais fiáveis para reduzir a influência de variáveis críticas na medição dos níveis de imposex em H. ulvae. As comparações de parâmetros do imposex baseados em medições do pénis devem ser sempre realizadas sob condições de narcotização bem standardizadas uma vez que este procedimento provoca um aumento significativo do comprimento do pénis (PL) em ambos os sexos. O VDSI, a % e o PL em ambos os sexos revelaram ser fortemente influenciados pelo tamanho dos espécimes: a utilização de fêmeas mais pequenas conduz à subestimação do VDSI, da %I e do PL, enquanto que diferenças no tamanho dos machos provocam variações no índice do comprimento relativo do pénis (RPLI), independentemente dos níveis de poluição por TBT. Existe, portanto, a necessidade de controlar algumas variáveis envolvidas na análise do imposex que mostraram afectar a fiabilidade dos resultados. Uma vez que N. lapillus é o principal bioindicador dos efeitos biológicos específicos do TBT para a área da OSPAR, foi também estudada a influência de algumas variáveis na avaliação dos níveis de imposex nesta espécie, especificamente as relacionadas com o ciclo reprodutor e o tamanho dos espécimes. O estudo do ciclo reprodutor e a variação sazonal/espacial do comprimento do pénis do macho (MPL) incidiu num único local no litoral Português (Areão – região de Aveiro) de forma a avaliar se o RPSI varia sazonal e espacialmente na mesma estação de amostragem e se tais variações influenciam os resultados obtidos em programas de monitorização do imposex. Nos meses de Dezembro de 2005 a Junho de 2007, foram encontrados espécimes de N. lapillus sexualmente maturos e potencialmente aptos para a reprodução. Contudo, foi também evidente um padrão sazonal do ciclo reprodutor – o estado de desenvolvimento da gametogénese nas fêmeas variou sazonalmente e ocorreu uma diminuição do volume da glândula da cápsula e do factor de condição no final do Verão / início do Outono. Contrariamente, a gametogénese nos machos não apresentou variação sazonal significativa, embora os valores mais baixos do factor de condição, do comprimento do pénis e dos volumes de esperma e da próstata tenham também sido registados no final do Verão / início do Outono. Além disso, o MPL mostrou variar, no mesmo local de amostragem, inversamente com a distância aos ninhos de cápsulas ovígeras; um aumento dos valores do MPL foi também observado em espécimes de maior tamanho. Todas estas variações no MPL introduzem desvios nos resultados da avaliação do imposex quando é usado o RPSI. A magnitude do erro envolvido foi quantificada e revelou-se superior em locais com níveis mais elevados de poluição por TBT. Apesar do RPSI ser um índice que fornece informação importante sobre os níveis de poluição por TBT, a sua interpretação deve ser cuidadosa e realizada complementarmente com os outros índices, destacando-se o VDSI como índice mais fiável e com significado biológico mais expressivo. Novas campanhas de monitorização do imposex em N. lapillus foram realizadas ao longo da costa Portuguesa em 2006 e 2008, e os resultados subsequentemente comparados com a base de dados criada em 2003,de forma a avaliar a evolução da poluição por TBT no litoral Português naquele período. Nestes estudos foram aplicados novos procedimentos na monitorização e tratamento dos dados, de forma a minimizar a variação nos índices de avaliação do imposex induzida pelos factores acima descritos, para seguir com maior consistência a tendência da poluição por TBT entre 2003 e 2008. Foi observado um declínio global significativo na intensidade de imposex na área de estudo durante o referido período e a qualidade ecológica da costa Portuguesa, segundo os termos definidos pela Comissão OSPAR, revelou melhorias notáveis após 2003 confirmando a eficácia do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Não obstante, as populações de N. lapillus revelaram-se ainda amplamente afectadas por imposex, tendo sido detectadas emissões de TBT na água do mar ao longo da costa em 2006, apesar da restrição anteriormente referida. Estes inputs foram atribuídos principalmente aos navios que à data ainda circulavam com tintas AV com TBT aplicadas antes de 2003, uma vez que a sua utilização nas embarcações foi apenas proibida em 2008. Considerando que o Regulamento (CE) N.º 782/2003 constitui uma antecipação da proibição global da OMI que entrou em vigor em Setembro de 2008, prevê-se, por analogia, que haja uma rápida diminuição da poluição por TBT à escala mundial num futuro próximo. Na sequência desta previsão, é apresentada uma discussão teórica preliminar relativamente ás possíveis estratégias usadas por N. lapillus na recolonização de locais onde, no passado, as populações terão aparentemente sido extintas devido a níveis extremamente elevados de TBT. Estes locais são tipicamente zonas abrigadas junto de infra-estruturas portuárias, cuja recolonização por esta espécie será provavelmente muito lenta dada a mobilidade reduzida dos adultos e o ciclo de vida não apresentar fase larvar pelágica. Foram então equacionadas duas hipotéticas vias de recolonização de zonas abrigadas por espécimes provenientes de populações de costa aberta/exposta: a migração de adultos e/ou a dispersão de juvenis. No entanto, em ambos os casos, estaria implicada a transposição de um problema amplamente descrito na bibliografia: as populações de N. lapillus de costa aberta podem apresentar um fenótipo muito diferente das de zonas abrigadas, podendo inclusivamente variar no número de cromossomas. A recolonização pode portanto não ter sucesso pelo simples facto dos novos recrutas não estarem bem adaptados aos locais a recolonizar. Para analisar este problema, foram estudados tanto a forma da concha de espécimes de N. lapillus ao longo da costa Portuguesa como o respectivo número de cromossomas. Embora a forma da concha tenha revelado diferenças, de acordo com o grau de hidrodinamismo entre as populações de N. lapillus avaliadas, o cariótipo 2n = 26, típico de zonas expostas, foi registado em todos os locais amostrados. Por outro lado, foi também testada em laboratório a possível mortalidade de juvenis em dispersão no interior menos salino dos estuários. Foi então verificada a ocorrência de mortalidade elevada de juvenis expostos a salinidades baixas (=100% após 1 hora a salinidades ≤9 psu), o que também pode comprometer a recolonização de zonas estuarinas menos salinas por esta via. Mesmo assim, os juvenis mostraram um comportamento de flutuação à superfície da água em condições laboratoriais, que pode ser considerado um benefício específico na colonização de áreas mais internas dos estuários, se tal facto vier a ser confirmado em estudos de campo. As conclusões deste estudo contribuem certamente para a descrição do final da “história do TBT” dado que, uma vez controlados alguns factores determinantes no uso do imposex como biomarcador, a avaliação do declínio da poluição por estes compostos, agora esperado à escala global, se torna mais rigorosa.

Water use and conservation at the environmental protection area of Brilhante, Santa Catarina - Brazil

Dissertação mest., Gestão da Água e da Costa, Universidade do Algarve, 2008

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.

Pollution and pollutant transport in the geosphere - An introduction to the symposium

Environmental research in earth sciences is focused on the geosphere, i.e. (1) waters and sediments of rivers, lakes and oceans, and (2) soils and underlying shallow rock formations,both water-unsaturated and -saturated. The subsurface is studied down to greater depths at sites where waste repositories or tunnels are planned and mining activities exist. In recent years, earth scientists have become more and more involved in pollution problems related to their classical field of interest, e.g. groundwater, ore deposits, or petroleum and non-metal natural deposits (gravel, clay, cement precursors). Major pollutants include chemical substances, radioactive isotopes and microorganisms. Mechanisms which govern the transport of pollutants are of physical, chemical (dissolution, precipitation, adsorption), or microbiological (transformation) nature. Land-use planning must reflect a sustainable development and sound scientific criteria. Today's environmental pollution requires working teams with an interdisciplinary background in earth sciences, hydrology, chemistry, biology, physics as well as engineering. This symposium brought together for the first time in Switzerland earth and soil scientists, physicists and chemists, to present and discuss environmental issues concerning the geosphere.