Uno studio internazionale mostra che l'acqua dolce inquinata da materiale fecale può essere determinata in modo più rapido e affidabile utilizzando una nuova tecnica. Credito:Da Jiao et al, doi:10.1126/sciadv.abc7318. Questo lavoro è concesso in licenza sotto CC BY-NC.
Uno studio internazionale mostra che l'acqua dolce inquinata da materiale fecale può essere determinata in modo più rapido e affidabile utilizzando una nuova tecnica.
Quando le acque reflue di villaggi e città sfociano in fiumi e laghi, grandi quantità di grassi, proteine, zuccheri e altre sostanze organiche contenenti carbonio finiscono in natura insieme alla materia fecale. Queste sostanze organiche vengono scomposte dai batteri che consumano ossigeno. Maggiore è il volume delle acque reflue, migliore prosperano i batteri. Ciò, tuttavia, significa che il contenuto di ossigeno dell'acqua continua a diminuire finché alla fine i pesci, le cozze o i vermi esauriscono letteralmente l'aria. Ciò ha creato zone di morte a basso contenuto di ossigeno in molti fiumi e laghi in tutto il mondo.
Finora nessun gold standard per le misurazioni
Al fine di misurare quanto pesantemente le acque sono inquinate con la materia organica delle feci, gli enti governativi e i ricercatori ambientali prelevano regolarmente campioni d'acqua. Un metodo di misurazione ampiamente utilizzato utilizza una reazione chimica per determinare il contenuto di sostanze organiche. Come mostra ora un team internazionale di scienziati, questo metodo consolidato fornisce valori dai quali è difficile dedurre il grado effettivo di inquinamento dell'acqua. Anche il Prof. Helmuth Thomas, Direttore dell'Hereon's Institute of Carbon Cycles ha collaborato allo studio, che è stato ora pubblicato sulla rivista scientifica Science Advances . "Nel documento stiamo quindi introducendo anche un nuovo metodo per rendere le misurazioni molto più affidabili in futuro", afferma.
Utilizzando il metodo di misurazione convenzionale, i campioni d'acqua vengono miscelati con le sostanze chimiche permanganato o dicromato. Questi sono particolarmente reattivi e abbattono tutte le sostanze organiche in breve tempo. La quantità di permanganati o dicromati consumati può quindi essere utilizzata per determinare quanta sostanza organica era contenuta nel campione d'acqua.
Gli esperti si riferiscono a questa misurazione come "richiesta chimica di ossigeno", COD. Il problema con le misurazioni del COD è che non fanno distinzione tra le sostanze organiche che finiscono nell'acqua con i liquami e quelle che sorgono naturalmente - come la lignina e gli acidi umici - che vengono rilasciate quando il legno si deteriora. Ciò significa che l'inquinamento dell'acqua difficilmente può essere distinto dal contenuto naturale di sostanze organiche.
“Per il fiume Han in Corea del Sud, ad esempio, abbiamo dimostrato che l'inquinamento da sostanze organiche delle acque reflue negli ultimi venticinque anni è diminuito. Le misurazioni del COD, tuttavia, mostrano ancora valori elevati come prima", afferma Helmuth Thomas, "perché qui le sostanze naturali costituiscono gran parte della materia organica nell'acqua".
Analisi biologica complicata
Ma come si può misurare in modo più affidabile l'inquinamento effettivo? Da decenni qui si stabilisce un metodo di misurazione biologica, ma è molto più complesso del metodo COD ed è quindi utilizzato più raramente da enti governativi e istituti di ricerca. In questo caso si preleva un campione d'acqua dal fiume o dal lago e si misura il contenuto di ossigeno dell'acqua come valore iniziale. Un altro “campione parallelo” viene immediatamente sigillato ermeticamente. Quindi questo campione d'acqua riposa per cinque giorni. Durante questo periodo, i batteri scompongono la sostanza organica, consumando gradualmente l'ossigeno nell'acqua. Dopo cinque giorni, si apre il contenitore e si misura l'ossigeno. Se l'acqua contiene una grande quantità di materia organica, allora i batteri erano particolarmente attivi. Il consumo di ossigeno era quindi corrispondentemente alto. Gli esperti fanno riferimento alla "domanda biologica di ossigeno" (BOD) in questa misurazione.
"La misurazione del BOD è molto più precisa del COD perché i batteri scompongono preferenzialmente le piccole molecole organiche delle acque reflue ma lasciano intatte quelle naturali, come la lignina", afferma Thomas. Tuttavia, anche la misurazione BOD ha i suoi svantaggi. Da un lato, la misurazione del BOD richiede cinque giorni, mentre il valore del COD è disponibile dopo pochi minuti. Dall'altro, durante il riempimento, la conservazione e la misurazione dei campioni d'acqua, è necessario prestare la massima attenzione per garantire che l'ossigeno dell'aria ambiente non finisca nel campione e falsifichi il valore della misurazione. "Solo poche persone con una grande esperienza di laboratorio hanno imparato a gestire completamente la misurazione del BOD", afferma Thomas. “Pertanto, enti governativi e ricercatori ancora oggi continuano a preferire il COD nonostante le sue maggiori incertezze”.
Metodo più veloce e affidabile
Helmuth Thomas e il suo team stanno quindi introducendo un metodo alternativo che migliora la misurazione BOD convenzionale. Il vantaggio del metodo è che è necessario un solo campione d'acqua, che viene immediatamente sigillato e il consumo di ossigeno viene misurato senza interferire con il campione. Non è quindi necessario riaprire il campione dopo cinque giorni per misurare il contenuto di ossigeno. Ciò impedisce al campione di entrare nuovamente in contatto con l'ossigeno atmosferico.
Con il nuovo approccio, una fibra ottica viene inserita nel recipiente del campione non appena il campione d'acqua viene riempito. Attraverso questa fibra, il contenuto di ossigeno può essere misurato continuamente direttamente nel campione utilizzando effetti ottici. Thomas afferma:"Possiamo misurare il contenuto di ossigeno ininterrottamente e ottenere un quadro molto più preciso del consumo di ossigeno da parte dei batteri".
I primi test hanno dimostrato che un risultato significativo è già disponibile dopo circa quarantotto ore, cosa che accelera notevolmente la misurazione del BOD. Tutto sommato, il metodo ottico rende le misurazioni BOD non solo più affidabili, ma anche più veloci. Helmuth Thomas presume quindi che il nuovo metodo nei prossimi anni si affermerà come il nuovo standard, che sostituirà sia il COD che le classiche misurazioni BOD. In futuro, ad esempio, sarà possibile determinare in modo più affidabile rispetto a prima se le misure di controllo dell'inquinamento idrico avranno effettivamente successo.
Riferimento:"Correzione di un grave errore nella valutazione dell'inquinamento da carbonio organico nelle acque naturali" di Nianzhi Jiao, Jihua Liu, Bethanie Edwards, Zongqing Lv, Ruanhong Cai, Yongqin Liu, Xilin Xiao, Jianning Wang, Fanglue Jiao, Rui Wang, Xingyu Huang, Bixi Guo, Jia Sun, Rui Zhang, Yao Zhang, Kai Tang, Qiang Zheng, Farooq Azam, John Batt, Wei-Jun Cai, Chen He, Gerhard J. Herndl, Paul Hill, David Hutchins, Julie LaRoche, Marlon Lewis, Hugh MacIntyre, Luca Polimene, Carol Robinson, Quan Shi, Curtis A. Suttle, Helmuth Thomas, Douglas Wallace e Louis Legendre, 14 aprile 2021, Avanzamenti scientifici .
DOI:10.1126/sciadv.abc7318
