Als het regent in San Diego, waterwegen zoals de San Diego-rivier en de zijrivier Alvarado Creek ervaren vaak bacteriële vervuiling die uiteindelijk naar de oceaan wordt gedragen. Dit is een bedreiging voor de volksgezondheid voor zwemmers, surfers en het waterleven, en het kan voortkomen uit rioolbreuken tijdens stormen, illegale lozing van afvalwater in rivieren, of lekkende septic tanks.

Typisch, kuststeden die frequente besmetting ervaren, zullen watermonsters verzamelen en de kwaliteit testen als ze bacteriële besmetting vermoeden, alvorens het publiek te waarschuwen en de toegang tot stranden te sluiten. Maar deze reactionaire methode omvat wachttijden van 18 tot 24 uur, een potentieel gevaarlijke vertraging voor het publiek.

Milieu-ingenieurs van de San Diego State University hebben bestaande sensortechnologie die fluorescentie kan detecteren aangepast en aangepast om snelle detectie van bacteriën in het water mogelijk te maken. Ze zijn van plan deze technologie te combineren met telemetrie om besmettingswaarschuwingen in realtime te verzenden, een vooruitgang met nuttige implicaties voor watermonitoring-instanties en overheidsinstanties.

Van het glazuur op onze tanden, aan materiaal in de kleding die we dragen, elk object heeft fluorescentie die onzichtbaar is voor het blote oog, maar kan worden gedetecteerd door speciale sensoren. Bacteriën hebben ook een vergelijkbare fluorescentie die deze sensoren kunnen detecteren, wat de onderzoekers hielp om besmetting snel te identificeren.

"We wilden bacteriële besmetting snel identificeren, letterlijk in seconden, en in staat zijn om de intensiteit in realtime te zien toenemen, het net als een handinstrument gebruiken, " zei Natalie Mladenov, waterkwaliteitsonderzoeker en universitair hoofddocent. "Een probleem waar veel waterbeheerders zich van bewust zijn, is de noodzaak om realtime gegevens te hebben, en dit zou het antwoord kunnen zijn."

Ze is al lang geïnteresseerd in het evalueren van sensoren als waarschuwingssystemen voor vroegtijdige waarschuwing voor onverwachte vervuilingsgebeurtenissen, zowel in oppervlaktewater als bij waterzuiverings- en hergebruikfaciliteiten. Ze heeft eerder laten zien hoe op fluorescentie gebaseerde sensoren de aanwezigheid van verontreinigende stoffen in behandelingsfaciliteiten kunnen aangeven, en deze keer ging ze onderzoeken of ze konden worden aangepast voor incidenten met rioolvervuiling in oppervlaktewater.

In aanvulling, "bronwater voor drinkwaterzuiveringsinstallaties, zoals meren of stuwmeren, zou ook een uitstekende plaats zijn om zo'n sensor in te zetten om te waarschuwen voor gemorste afvalwater of andere bacteriële besmetting, ' zei Mladenov.

De meeste bemonsteringsapparaten die voor dit doel worden gebruikt, hebben een incubatietijd voordat de resultaten beschikbaar zijn, maar de op fluorescentie gebaseerde sensoren die ze heeft getest, kunnen onderscheid maken tussen bacteriën in het water en organisch materiaal en plantaardig afval, en stuur die gegevens onmiddellijk door. Het onderzoek wordt op 11 maart gepubliceerd in de Wetenschap van de totale omgeving .

Mladenov en voormalig student-ingenieur Lorelay Mendoza gebruikten een draagbare onderwaterfluorometer, die wordt geleverd met een keuze aan sensoren. Voor het traceren van bacterieel afvalwater, ze kozen een sensor voor tryptofaan - hetzelfde aminozuur dat je slaperig maakt na een kalkoendiner - en een humussensor voor het volgen van achtergrondfluorescentie.

Uit eerder onderzoek van Mladenov bleek dat de tryptofaansensor het nuttigst zou zijn. Als bewijs testte haar team het zowel in het laboratorium als in Alvarado Creek, waar ze de aanwezigheid van fecale bacteriënconcentraties hadden waargenomen tijdens stormen.

Mendoza zou weersgebeurtenissen volgen en de nacht voordat een storm werd voorspeld, ze zou de fluorometer in de kreek plaatsen, het volgen van bacteriële besmetting tijdens de storm in realtime.

"De bevindingen suggereren dat afvalwater werd geloosd in Alvarado Creek vanwege een overstort van het sanitair riool of een soort lekkage in rioolinfrastructuur tijdens een storm, "Zei Mladenov. "Rolleidingen zijn oud en velen bereiken het einde van hun nuttige levensduur."

Mendoza zei dat de hoge metingen werden ondersteund door hoge E coli telt, en door mensen veroorzaakte vervuiling werd bevestigd door cafeïneconcentraties te meten.

"We hopen dat dit onderzoek de inzet van fluorescentiesensoren in waterlichamen stimuleert voor langetermijnmonitoring, omdat het hebben van data macht is, "Zei Mendoza. "Ik zou graag zien dat steden en waterbeheerders sensoren langs waterstromen inzetten om kwetsbaarheden in de waterkwaliteit te detecteren en om de gevolgen van vervuilingsgebeurtenissen te verminderen wanneer ze zich voordoen. Zonder vroege waarschuwingssignalen, de tijd tussen initiële besmetting en bewustwording en reactie is langer en zal negatieve gevolgen hebben voor het milieu en het waterleven."

Het verzamelen van monsters tijdens stormen kan een uitdaging zijn. Dat is waar afstudeerder Federick Pinongcos en collega Alicia Kinoshita binnenkwamen, om ervoor te zorgen dat de monsters intact werden verzameld en snel naar het laboratorium werden gebracht. Vervolgens werd elk monster geanalyseerd op markers van afvalwaterverontreiniging.

"Dit type van meerdere lijnen van bewijs-onderzoek was eerder niet uitgevoerd, "Zei Mladenov. "Het geeft aan dat de optische, op fluorescentie gebaseerde benadering is een effectieve manier voor toekomstige detectie van rioollekken en andere lekkages in oppervlaktewateren."

Om ondersteunende biologische en chemische gegevens te verkrijgen, Mladenov werkte samen met SDSU-hoogleraren Matthew Verbyla en Rick Gersberg. Volgende, zij en aardrijkskundeprofessor Trent Biggs, werken samen om de op fluorescentie gebaseerde sensor samen met een telemetriesysteem in te zetten om ervoor te zorgen dat de waarschuwing in realtime kan worden ontvangen, en zal studies uitvoeren in grotere waterlichamen, waaronder de San Diego-rivier.

Financiering voor de veldimplementaties komt van de San Diego River Conservancy. Het laboratoriumonderzoek en Mendoza's toelage werden gedekt door subsidies van de National Institutes of Health en SDSU's Maximizing Access to Research Careers-programma.