Controls on trace metals in urban stream sediments : implications for pollution monitoring using sediment chemistry data

Contamination of urban streams is a rising topic worldwide, but the assessment and investigation of stormwater induced contamination is limited by the high amount of water quality data needed to obtain reliable results. In this study, stream bed sediments were studied to determine their contamination degree and their applicability in monitoring aquatic metal contamination in urban areas. The interpretation of sedimentary metal concentrations is, however, not straightforward, since the concentrations commonly show spatial and temporal variations as a response to natural processes. The variations of and controls on metal concentrations were examined at different scales to increase the understanding of the usefulness of sediment metal concentrations in detecting anthropogenic metal contamination patterns. The acid extractable concentrations of Zn, Cu, Pb and Cd were determined from the surface sediments and water of small streams in the Helsinki Metropolitan region, southern Finland. The data consists of two datasets: sediment samples from 53 sites located in the catchment of the Stream Gräsanoja and sediment and water samples from 67 independent catchments scattered around the metropolitan region. Moreover, the sediment samples were analyzed for their physical and chemical composition (e.g. total organic carbon, clay-%, Al, Li, Fe, Mn) and the speciation of metals (in the dataset of the Stream Gräsanoja). The metal concentrations revealed that the stream sediments were moderately contaminated and caused no immediate threat to the biota. However, at some sites the sediments appeared to be polluted with Cu or Zn. The metal concentrations increased with increasing intensity of urbanization, but site specific factors, such as point sources, were responsible for the occurrence of the highest metal concentrations. The sediment analyses revealed, thus a need for more detailed studies on the processes and factors that cause the hot spot metal concentrations. The sediment composition and metal speciation analyses indicated that organic matter is a very strong indirect control on metal concentrations, and it should be accounted for when studying anthropogenic metal contamination patterns. The fine-scale spatial and temporal variations of metal concentrations were low enough to allow meaningful interpretation of substantial metal concentration differences between sites. Furthermore, the metal concentrations in the stream bed sediments were correlated with the urbanization of the catchment better than the total metal concentrations in the water phase. These results suggest that stream sediments show true potential for wider use in detecting the spatial differences in metal contamination of urban streams. Consequently, using the sediment approach regional estimates of the stormwater related metal contamination could be obtained fairly cost-effectively, and the stability and reliability of results would be higher compared to analyses of single water samples. Nevertheless, water samples are essential in analysing the dissolved concentrations of metals, momentary discharges from point sources in particular.

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.

Design. Fabrication and Characterization of Fiber Optic Sensors for Physical and Chemical Applications

Advent of lasers together with the advancement in fiber optics technology has revolutionized the sensor technology. Advancement in the telemetric applications of optical fiber based measurements is an added bonus. The present thesis describes variety of fiber based sensors using techniques like micro bending, long period grating and evanescent waves. Sensors to measure various physical and chemical parameters are described in this thesis.

Evanescent Wave Fibre Optic Sensors for Trace Analysis of Fe3+ in Water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Evanescent wave fibre optic sensors for trace analysis of Fe3+ in water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Evanescent wave fibre optic sensors for trace analysis of Fe3+ in water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Evanescent wave fibre optic sensors for trace analysis of Fe3+ in water

In this communication, we discuss the details of fabricating an off-line fibre optic sensor (FOS) based on evanescent wave absorption for detecting trace amounts of Fe3+ in water. Two types of FOS are developed; one type uses the unclad portion of a multimode silica fibre as the sensing region whereas the other employs the microbent portion of a multimode plastic fibre as the sensing region. Sensing is performed by measuring the absorption of the evanescent wave in a reagent medium surrounding the sensing region. To evaluate the relative merits of the two types of FOS in Fe3+ sensing, a comparative study of the sensors is made, which reveals the superiority of the latter in many respects, such as smaller sensing length, use of a double detection scheme (for detecting both core and cladding modes) and higher sensitivity of cladding mode detection at an intermediate range of concentration along with the added advantage that plastic fibres are inexpensive. A detection limit of 1 ppb is observed in both types of fibre and the range of detection can be as large as 1 ppb–50 ppm. All the measurements are carried out using a LabVIEW set-up.

Design and Development of Fiber Optic Sensors for Trace Detection of Certain Environmental Pollutants

In recent years,photonics has emerged as an essential technology related to such diverse fields like laser technology,fiber optics,communication,optical signal processing,computing,entertainment,consumer electronics etc.Availabilities of semiconductor lasers and low loss fibers have also revolutionized the field of sensor technology including telemetry. There exist fiber optic sensors which are sensitive,reliable.light weight and accurate devices which find applications in wide range of areas like biomedicine,aviation,surgery,pollution monitoring etc.,apart from areas in basic sciences.The present thesis deals with the design,fabrication and characterization of a variety of cost effective and sensitive fiber optic sensors for the trace detetction of certain environment pollutants in air and water.The sensor design is carried out using the techniques like evanescent waves,micro bending and long period gratings.

Structural Health Monitoring based on AR models and PZT sensors

This paper presents a new approach for damage detection in Structural Health Monitoring (SHM) systems, which is based on the Electromechanical Impedance (EMI) principle and Autoregressive (AR) models. Typical applications of EMI in SHM are based on computing the Frequency Response Function (FRF). In this work the procedure is based on the EMI principle but the results are determined through the coefficients of AR models, which are computed from the time response of PZT transducers bonded to the monitored structure, and acting as actuator and sensors at the same time. The procedure is based on exciting the PZT transducers using a wide band chirp signal and getting its time response. The AR models are obtained in both healthy and damaged conditions and used to compute statistics indexes. Practical tests were carried out in an aluminum plate and the results have demonstrated the effectiveness of the proposed method. © 2012 IEEE.

Monitoring charged particles in indoor air using a neutral cluster and air ion spectrometer

While there are sources of ions both outdoors and indoors, ventilation systems can introduce as well as remove ions from the air. As a result, indoor ion concentrations are not directly related to air exchange rates in buildings. In this study, we attempt to relate these quantities with the view of understanding how charged particles may be introduced into indoor spaces.

Development and integration of a solar powered unmanned aerial vehicle and a wireless sensor network to monitor greenhouse gases

Measuring gases for environmental monitoring is a demanding task that requires long periods of observation and large numbers of sensors. Wireless Sensor Networks (WSNs) and Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) currently represent the best alternative to monitor large, remote, and difficult access areas, as these technologies have the possibility of carrying specialized gas sensing systems. This paper presents the development and integration of a WSN and an UAV powered by solar energy in order to enhance their functionality and broader their applications. A gas sensing system implementing nanostructured metal oxide (MOX) and non-dispersive infrared sensors was developed to measure concentrations of CH4 and CO2. Laboratory, bench and field testing results demonstrate the capability of UAV to capture, analyze and geo-locate a gas sample during flight operations. The field testing integrated ground sensor nodes and the UAV to measure CO2 concentration at ground and low aerial altitudes, simultaneously. Data collected during the mission was transmitted in real time to a central node for analysis and 3D mapping of the target gas. The results highlights the accomplishment of the first flight mission of a solar powered UAV equipped with a CO2 sensing system integrated with a WSN. The system provides an effective 3D monitoring and can be used in a wide range of environmental applications such as agriculture, bushfires, mining studies, zoology and botanical studies using a ubiquitous low cost technology.