Nyt robotlaboratorium, der sporer toksiciteten af ​​Lake Erie algeopblomstring

Et nyt forskningsværktøj til beskyttelse af drikkevand holder nu et vågent øje med søen Erie. Denne uge, et robotlaboratorium ved søbund begyndte at spore niveauerne af farlige toksiner produceret af cyanobakterier, der blomstrer hver sommer i søens vestlige bassin.

Målet er at give forudgående varsling til kommunale drikkevandsforvaltere og dermed forhindre en gentagelse af vandkrisen, der efterlod mere end 400, 000 indbyggere i Toledo-området uden rent drikkevand i omkring to dage i begyndelsen af ​​august 2014 på grund af høje niveauer af mikrocystin-toksiner.

Købet af $375, 000 enhed, som er kendt som en miljøprøvebehandler eller ESP, var en direkte reaktion på Toledo-begivenheden. Den er placeret på et sted på søbunden, hvor den kan give cirka en dags varsel, hvis meget giftigt vand ser ud til at være på vej mod byens vandindtag.

Test vil blive udført hver anden dag i starten, derefter øget til én gang om dagen fra 1. august for at falde sammen med den forventede top i blomstringstoksicitet. Testresultater sendes automatisk til forskernes indbakke i Ann Arbor.

"Vores nummer et mål er at beskytte vandindtag og forhindre offentlig eksponering for disse toksiner, " sagde akvatisk økolog Tom Johengen, associeret direktør for Cooperative Institute for Great Lakes Research (CIGLR) ved University of Michigan. "Hvis denne enhed havde været på plads i sommeren 2014, det ville have gjort en forskel. "

Projektet er et samarbejde mellem CIGLR, National Oceanic and Atmospheric Administration's Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) i Ann Arbor, NOAA's National Centres for Coastal Ocean Science og Monterey Bay Aquarium Research Institute. Robotlaboratoriet, som går under navnet ESPniagara, blev købt med midler fra det føderale Great Lakes Restoration Initiative, hvilket også hjælper med at betale driftsomkostningerne.

Yderligere to ESP'er vil blive indsat til test i den vestlige Lake Erie næste sommer og skulle være i regulær drift i 2019, sagde Timothy Davis, en molekylær økolog ved NOAAs Ann Arbor-laboratorium og leder af GLERL-CIGLR-overvågningsteamet for skadelig algeopblomstring. Ultimativt, toksicitetsdata fra de tre autonome laboratorier vil blive indarbejdet i kortsigtede algeopblomstringsprognoser for det vestlige Lake Erie-bassin.

"Forhåbentlig, vi vil aldrig have en begivenhed som Toledo igen, fordi vi vil være i stand til at forudsige blomstringsstedet, bevægelse og toksicitet med nøjagtighed, så vandbehandlingsledere ved, hvornår det kommer og kan forberedes, " sagde Davis.

Mere end et dusin ESP'er er i brug globalt, men ESPniagara er den første i De Store Søer og den første til at teste for mikrocystiner, en klasse af toksiner produceret af visse ferskvandscyanobakterier.

Cyanobakterier er fotosyntetiske organismer, nogle gange kaldet blågrønalger. De Store Søer er hjemsted for snesevis af almindelige cyanobakteriearter, men kun få er giftige ballademagere. Toledo-vandkrisen fik skylden på toksiner produceret af den almindelige art Microcystis aeruginosa.

ESPniagara "lab i en dåse" blev felttestet i den vestlige Lake Erie sidste efterår. Den blev indsat til regulær tjeneste den 11. juli og begyndte rutinemæssige toksintests den 18. juli. Den ligger omkring 4 miles vest for Toledo kommunale vandindtag i en dybde på 18 fod. Det bliver der indtil midten af ​​august, hvornår det vil blive hentet til rutinemæssig vedligeholdelse, vendte derefter tilbage til søen i september og oktober.

CIGLR-forskningstekniker Emily Davenport brugte de sidste par måneder på at gøre laboratoriet klar til dets sommerudrulning. Hun voksede op ved bredden af ​​Erie -søen på Catawba Island, Ohio, og gik på Bowling Green State University.

"De lokale økonomier ved søbredden afhænger af søens vitalitet, så vi ønsker alle at Lake Erie skal trives, " sagde Davenport. "Jeg er virkelig stolt over at arbejde i Great Lakes vandkvalitetsforskning, fordi det gavner folks liv på en måde, der er håndgribelig.

"Nogle gange kan det være virkelig svært at kommunikere vigtigheden af ​​videnskab til den brede offentlighed, men ikke i dette tilfælde. Vi har alle brug for rent vand."

Ud over hendes arbejde med ESPniagara, Davenport er en del af et CIGLR-NOAA-hold til overvågning af skadelig algeopblomstring, der foretager ugentlige ture til Lake Erie for at indsamle vandprøver til analyse tilbage i Ann Arbor. At få disse testresultater tager typisk 24 til 48 timer. Men med ESPniagara, mikrocystinresultater videresendes til forskerne tre til fire timer efter, at enheden har indsamlet en vandprøve.

"Hele pointen med at have denne ESP er at komme næsten i realtid, in situ toksicitetsmålinger på en daglig tidsskala i stedet for en gang om ugen, "Den Johengen sagde." Den forbedrede tidsmæssige opløsning vil give os mulighed for at give mere rettidige advarsler til vandforvaltere og vil give forskere ny indsigt i dynamikken i blomstringstoksicitet. "

Holdets ugentlige prøveudtagningsture til Lake Erie vil fortsætte og er en del af et omfattende forskningsprogram for skadelig algeopblomstring, der også inkluderer analyse af satellitbilleder, genetiske undersøgelser af cyanobakterier og udsendelse af regelmæssige HAB-bulletiner til offentligheden. En betydelig del af holdets årlige budget på 2,5 millioner dollars er leveret af Great Lakes Restoration Initiative.

Den 13. juli NOAA udsendte sin sæsonbestemte prognose for skadelig algeopblomstring for Lake Erie, som opfordrede til at udvikle en "betydelig" HAB i det vestlige bassin denne sommer. Den vigtigste drivkraft for Lake Eries skadelige algeopblomstring er forhøjet fosfor fra vandskel, der dræner til søens vestlige bassin, især fra det stærkt landbrugsmæssige Maumee River-vandskel.

NOAAs skadelige algeopblomstringsprognoser forudsiger størrelsen, eller biomasse, af en blomst, men siger intet om dens giftighed. Niveauer af mikrocystintoksiner i blomstringen varierer hele sommeren, da sammensætningen af ​​dets cyanobakterielle samfund ændres. ESPniagara giver et første skridt mod at levere Lake Erie HABs prognoser, der inkluderer toksicitetsinformation, sagde Johengen.

ESPniagara vejer mere end 1, 000 pund og sænkes i søen fra et skibs dæk. Den består af en beskyttende stålramme, der omgiver et analytisk biokemisk laboratorium inde i en vandtæt beholder, sammen med en bøje, der flyder over hovedet.

Stålrammen kaldes ESP-landeren, og den hviler direkte på søbunden. Bøjen er tøjret til laboratoriet med en plastikslange og et datakabel. Bøjen opsamler vand fra overfladen og pumper det ned i slangen til laboratoriet, og den er også udstyret med et mobilmodem til at sende resultater tilbage til Ann Arbor. Vandprøver er også indsamlet 4 fod over søbunden, samme dybde, der bruges af mange kommunale vandindtag.

Inde i det specialbyggede våde laboratorium, cyanobakterieceller filtreres fra vandprøverne, så udvindes mikrocystin-toksinerne fra cellerne. Det flydende ekstrakt behandles derefter ved hjælp af et ELISA analytisk biokemisk assay, en almindelig biomedicinsk test, der bruger antistoffer og farveændring til at identificere stoffer. Når testen er afsluttet, et indbygget kamera tager et billede af resultatet og sender det tilbage til Ann Arbor, hvor billedets lysstyrke bruges til at bestemme mængden af ​​mikrocystin i prøven.

"Vandkrisen i Toledo skubbede spørgsmålet om Lake Erie's skadelige algeopblomstring frem i søgelyset og viste, hvor virkningsfulde de kan være for menneskers daglige liv - og potentielt for menneskers sundhed - ved at påvirke en af ​​de grundlæggende ressourcer, som vi har brug for for livet, som er rent drikkevand, " sagde Davis.