Nedsænkelige sensorer registrerer hurtigt bakteriel forurening i vand

Når det regner i San Diego, vandveje såsom San Diego-floden og dens biflod til Alvarado Creek oplever ofte bakteriel forurening, der i sidste ende føres til havet. Dette er en trussel mod folkesundheden for svømmere, surfere og vandlevende liv, og det kan stamme fra kloakledningsbrud under storme, ulovlig udledning af spildevand i floder, eller utætte septiktanke.

Typisk, kystbyer, der oplever hyppig forurening, vil indsamle vandprøver og teste kvaliteten, hvis de har mistanke om bakteriel forurening, før de udsender advarsler til offentligheden og lukker adgangen til strandene. Men denne reaktionære metode involverer ventetider på op til 18 til 24 timer, en potentielt farlig forsinkelse for offentligheden.

Miljøingeniører fra San Diego State University har tilpasset eksisterende sensorteknologi, der kan detektere fluorescens, og justeret den for at muliggøre hurtig påvisning af bakterier i vandet. De planlægger at kombinere denne teknologi med telemetri for at sende forureningsadvarsler i realtid, et fremskridt med nyttige konsekvenser for vandovervågningsmyndigheder og offentlige myndigheder.

Fra emaljen på vores tænder, at materiale i det tøj, vi har på, hver genstand har fluorescens, der er usynlig for det blotte øje, men kan detekteres af specielle sensorer. Bakterier har også lignende fluorescens, som disse sensorer kan detektere, hvilket hjalp forskerne med hurtigt at identificere forurening.

"Vi ønskede hurtigt at identificere bakteriel forurening, bogstaveligt talt på få sekunder, og være i stand til at se intensiteten stige i realtid, bruger det meget som et håndholdt instrument, " sagde Natalie Mladenov, vandkvalitetsforsker og lektor. "Et problem mange vandforvaltere er klar over, er behovet for at have realtidsdata, og dette kunne være svaret."

Hun har længe været interesseret i at evaluere sensorer som tidlige advarselssystemer for uforudsete forureningshændelser, både i overfladevand og på vandbehandlings- og genbrugsanlæg. Hun har tidligere vist, hvordan fluorescens-baserede sensorer kan indikere tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer i behandlingsanlæg, og denne gang satte hun sig for at undersøge, om de kunne tilpasses til spildevandsforureningshændelser i overfladevand.

Ud over, "kildevand til drikkevandsbehandlingsanlæg, som søer eller reservoirer, ville også være et glimrende sted at installere en sådan sensor for at advare om spildevand eller anden bakteriel forurening, " sagde Mladenov.

De fleste prøveudtagningsanordninger, der anvendes til dette formål, har en inkubationsperiode, før resultaterne er tilgængelige, men de fluorescensbaserede sensorer, hun testede, kan skelne mellem bakterier i vandet og organisk materiale og planteaffald, og videresende disse data med det samme. Undersøgelsen vil blive offentliggjort den 11. marts i Videnskab om det samlede miljø .

Mladenov og tidligere ingeniørstuderende Lorelay Mendoza brugte et bærbart nedsænket fluorometer, som leveres med et udvalg af sensorer. Til sporing af bakteriel spildevand, de valgte en sensor for tryptofan – den samme aminosyre, som gør dig søvnig efter en kalkunmiddag – og en humussensor til baggrundsfluorescenssporing.

Mladenovs tidligere forskning viste, at tryptofansensoren ville være den mest nyttige. Som bevis testede hendes hold det både i laboratoriet og i Alvarado Creek, hvor de havde observeret tilstedeværelsen af ​​fækale bakteriekoncentrationer under storme.

Mendoza ville spore vejrbegivenheder og natten før en storm blev forudsagt, hun ville placere fluorometeret i åen, sporing af bakteriel forurening under stormen i realtid.

"Resultaterne tyder på, at spildevand blev udledt i Alvarado Creek på grund af et overløb af sanitærkloak eller en form for lækage i kloakinfrastruktur under en storm, " sagde Mladenov. "Kloakledninger er gamle, og mange er ved at nå slutningen af ​​deres brugstid."

Mendoza sagde, at de høje målinger blev understøttet af høje E coli tæller, og menneskeskabt forurening blev bekræftet ved at måle koffeinkoncentrationer.

"Vi håber, at denne forskning fremmer udbredelsen af ​​fluorescenssensorer til vandområder til langsigtet overvågning, fordi at have data er magt, " sagde Mendoza. "Jeg vil gerne se byer og vandforvaltere installere sensorer langs vandstrømme for at opdage sårbarheder i vandkvaliteten og for at reducere virkningerne af forureningshændelser, når de sker. Uden tidlige advarselssignaler, tiden mellem indledende forurening og bevidsthed og reaktion er længere og vil have negative konsekvenser for miljøet og vandlivet."

Indsamling af prøver under storme kan være udfordrende. Det var her den studerende Federick Pinongcos og kollegaen Alicia Kinoshita kom ind, for at sikre, at prøver blev indsamlet intakte og hurtigt bragt til laboratoriet. Derefter blev hver prøve analyseret for markører for spildevandsforurening.

"Denne type af flere linjer med bevis-undersøgelse var tidligere ikke blevet gennemført, " sagde Mladenov. "Det indikerer, at den optiske, fluorescensbaseret tilgang er en effektiv måde til fremtidig påvisning af spildevandslækager og andre spild i overfladevand."

For at opnå understøttende biologiske og kemiske data, Mladenov samarbejdede med SDSU-professorerne Matthew Verbyla og Rick Gersberg. Næste, hun og geografiprofessor Trent Biggs, går sammen om at implementere den fluorescens-baserede sensor sammen med et telemetrisystem for at sikre, at advarslen kan modtages i realtid, og vil udføre undersøgelser i større vandområder, herunder San Diego-floden.

Finansiering til feltinstallationerne kommer fra San Diego River Conservancy. Laboratorieforskningen og Mendozas stipendium blev dækket af tilskud fra National Institutes of Health og SDSU's Maximizing Access to Research Careers-program.