La qualità delle acque superficiali è messa sotto pressione da una serie di fonti, dato che utilizziamo sempre più sostanze chimiche che finiscono nei corpi idrici in modi diversi. Ciò rende ancora più importante il ruolo degli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP), dove la maggior parte delle acque reflue viene trattata prima di essere scaricata nei corpi idrici. L'ampliamento di molti impianti di trattamento delle acque reflue con una fase di trattamento aggiuntiva ha portato a un miglioramento significativo nella rimozione dei microinquinanti. Tuttavia, la qualità delle acque reflue deve essere costantemente monitorata per riconoscere gli incidenti e reagire il più rapidamente possibile.

I metodi di monitoraggio tradizionali che utilizzano campioni casuali o collettivi raggiungono i loro limiti quando si tratta di rilevare picchi di concentrazione a breve termine o di reagire prontamente a sostanze potenzialmente critiche. La composizione delle acque reflue può cambiare con brevissimo preavviso, soprattutto nel caso degli scarichi industriali. Inoltre, precipitazioni estreme e fluttuazioni di temperatura possono influenzare le prestazioni di depurazione. Tutto questo può portare a non garantire più la qualità delle acque reflue trattate.

I sistemi di allerta biologica, noti anche come biomonitoraggio online, offrono una possibile soluzione. Questi sistemi utilizzano organismi acquatici per monitorare continuamente e in tempo reale l'effetto biologico delle sostanze presenti nelle acque reflue. Se questi metodi vengono abbinati ad analisi chimiche continue, è possibile effettuare una valutazione olistica della qualità dell'acqua e dei potenziali effetti tossici dei microinquinanti.

Batteria di sistemi di allarme biologico

Nei sistemi di preallarme biologico, gli organismi in esame reagiscono all'inquinamento dell'acqua in esame con cambiamenti misurabili in un processo metabolico o nel comportamento. Se questo cambiamento, monitorato continuamente, supera un valore soglia, scatta un allarme. Come sensori vengono utilizzati vari organismi, come batteri, alghe, piccoli crostacei o pesci. I parametri di misura adatti includono l'attività fotosintetica delle alghe o il comportamento natatorio e la respirazione di crostacei e pesci, che possono essere influenzati dagli inquinanti.

Poiché tutti gli organismi reagiscono in modo diverso ai microinquinanti, non esiste un unico organismo di prova che rilevi in modo affidabile tutti gli inquinanti. L'ideale è quindi una batteria di sistemi diversi. Il team guidato da Ali Kizgin, che ha studiato questo argomento nella sua tesi di dottorato presso l'Ecotox Centre insieme a ricercatori dell'istituto di ricerca acquatica Eawag e dell'Università di Scienze Applicate della Svizzera nord-occidentale, ha selezionato tre sistemi di test: In primo luogo, un'alga verde unicellulare, in cui l'attività fotosintetica viene osservata misurando continuamente la fluorescenza. In secondo luogo, due crostacei d'acqua dolce, le pulci d'acqua e gli anfipodi d'acqua dolce, in cui il comportamento e l'attività di nuoto sono monitorati da telecamere e sensori di movimento.

Combinazione con l'analisi chimica online

"Se si combinano i biomonitor con l'analisi chimica ad alta risoluzione, diventa possibile confermare gli allarmi biologici e scoprire quale sostanza è responsabile della reazione misurata", spiega Ali Kizgin. "Ci trovavamo in una situazione ideale, in quanto Eawag aveva appena sviluppato l'MS2field, una delle prime piattaforme di misura mobili che consente di misurare sul campo microinquinanti in concentrazioni rilevanti per l'ambiente in modo continuo e con un'alta risoluzione temporale".

Tuttavia, non è facile collegare la presenza di sostanze chimiche con le reazioni comportamentali, poiché anche altri fattori ambientali possono portare a falsi allarmi positivi. Pertanto, alcuni parametri fisico-chimici nelle acque reflue sono stati monitorati in parallelo. La combinazione di sistemi di allerta biologici e chimici è stata sottoposta a un test di durata di cinque settimane presso un impianto di trattamento delle acque reflue municipale nel Cantone di San Gallo.

Monitoraggio degli eventi tossici

"Durante il test, i sistemi di allarme biologico ci hanno effettivamente dato l'allarme più volte", riferisce Ali Kizgin. I sistemi con pulci d'acqua e anfipodi d'acqua dolce hanno reagito in modo più sensibile rispetto al sistema con alghe verdi.

"Quando è scattato l'allarme, abbiamo valutato se i microinquinanti rilevati erano presenti in concentrazioni abbastanza elevate da essere tossici", spiega Kizgin. "In tal caso, abbiamo condotto ulteriori esperimenti in laboratorio per verificare se una specifica sostanza chimica fosse responsabile della reazione biologica".

Nel sistema con gli anfipodi d'acqua dolce, durante il periodo di test sono scattati due allarmi significativi. Nel primo, gli animali erano improvvisamente molto più attivi di prima dopo una forte pioggia. Tuttavia, il monitoraggio chimico non è stato in grado di rilevare alcuna sostanza tossica rilevante. Poiché la temperatura dell'acqua è scesa contemporaneamente di due gradi a causa dell'evento piovoso, ciò ha probabilmente influenzato il comportamento degli anfipodi.

Durante il secondo allarme, il campo MS2 ha rilevato l'insetticida carbofuran, un pesticida vietato in Svizzera che può avere un effetto tossico sugli invertebrati acquatici. Ulteriori test di laboratorio hanno confermato che il carbofuran era molto probabilmente la causa dell'allarme osservato.

Un approccio prezioso per la gestione delle acque reflue

Lo studio dimostra che la combinazione del monitoraggio biologico online con il monitoraggio chimico ad alta risoluzione è un approccio valido per riconoscere in tempo reale i picchi di microinquinanti negli impianti di trattamento delle acque reflue. "Dopo aver testato con successo il metodo nelle acque reflue municipali, ora è pronto per essere utilizzato in un impianto di trattamento delle acque reflue industriali", spiega Ali Kizgin. "Può essere utilizzato anche per identificare gli inquinanti presenti nelle acque reflue industriali complesse e non rilevabili con i metodi di monitoraggio standard".

Questo testo è una versione sintetica delle informazioni più dettagliate disponibili sul sito web del Centro Ecotox.