Le Dr Thomas Bridgeman, professeur d'écologie et directeur du Centre UToledo du lac Érié, à droite, et le Dr Kuo-Pei Tsai, associé de recherche postdoctoral, lisent les données provenant du système de surveillance en ligne des algues testé dans l'eau brute de la ville. station de pompage pour protéger l'approvisionnement public en eau potable pendant la saison de prolifération d'algues nuisibles. Crédit :Daniel Miller, Université de Tolède
Alors que le danger menace dans les plans d'eau du monde entier où les algues toxiques fleurissent, un petit bac de stockage en plastique à Tolède scellé pour se protéger contre les éclaboussures, les araignées et les selles d'oiseaux peut contenir une technologie révolutionnaire dans la lutte contre le problème environnemental croissant.
Les scientifiques des algues de l'Université de Tolède testent un capteur optique en temps réel à l'usine de traitement de l'eau de Tolède dans le cadre de sa surveillance de l'eau de source pour protéger l'approvisionnement public en eau potable pendant la saison de prolifération d'algues nuisibles.
Toutes les 15 minutes, l'appareil prend une gorgée d'eau du lac Érié entrant dans l'usine, lit l'échantillon et met les données de mesure en ligne pour que les chercheurs et les gestionnaires des services d'eau puissent y accéder à distance.
Sa plus grande valeur est la capacité de dire si de minuscules organismes unicellulaires connus sous le nom de cyanobactéries qui composent les proliférations d'algues nuisibles dans le lac Érié sont fragiles et commencent à s'ouvrir. Si les cellules s'ouvrent, elles libèrent de la toxine. La toxine dissoute est plus difficile à éliminer pour les usines de traitement de l'eau, car elle peut passer à travers les filtres et doit être éliminée par des moyens chimiques avant que l'eau ne quitte l'usine pour nos robinets.
Depuis juillet, les scientifiques d'UToledo ont vérifié les fils et les tubes de l'appareil pour s'assurer qu'il fonctionne correctement. Ils mènent également des expériences en laboratoire au centre UToledo Lake Erie qui montrent que la technologie fonctionne comme prévu.
"Notre travail cet été avec l'appareil PhycoSens est le premier test de ce système de surveillance en ligne des algues dans une usine d'eau potable aux États-Unis", a déclaré le Dr Thomas Bridgeman, professeur d'écologie et directeur du UToledo Lake Erie Center. "Si nous réussissons à détecter et à notifier immédiatement la libération de toxines à la station d'épuration de Toledo et dans toute la région, cela peut être étendu à l'échelle nationale. Jusqu'à présent, cela semble très prometteur."
Le test de déploiement du système de capteur de surveillance avancé fait partie d'un projet UToledo de 1,4 million de dollars financé par l'U.S. Army Corps of Engineers qui a débuté il y a plus d'un an et se concentre sur la détection précoce et la gestion des efflorescences algales nuisibles.
Depuis que la crise de l'eau de Tolède en 2014 a laissé un demi-million d'habitants sans eau du robinet pendant trois jours, les chercheurs savent mieux que ce ne sont pas seulement la taille et l'apparence de la prolifération d'algues qui comptent, mais ce qui se passe dans les cellules.
Les appareils de Bridgeman fabriqués par la société allemande bbe Moldaenke utilisent des capteurs optiques pour mesurer en temps réel la quantité et le type d'algues entrant dans l'usine de traitement de l'eau, y compris les cyanobactéries. Plus important encore, les capteurs peuvent fournir un avertissement lorsque les cellules de cyanobactéries s'ouvrent et que leur contenu, y compris les toxines qu'elles peuvent contenir, s'échappe dans l'eau.
"A large release of toxin can happen in a matter of hours, and it is critical for water plant operators to have this information so they can adjust their treatment levels quickly, before dissolved toxin can get through the plant," Bridgeman said. "The data are produced every few minutes, which makes it a useful early warning tool for a potentially rapidly changing algal situation."
Notable for researchers is data collected in late July showing the peak of the bloom and its decline.
"So far we have not detected any of that cell breakage at the water treatment plant or near the water intake out in the lake using the automated sensor, which is good news," Bridgeman said. "However, UToledo crews on our research vessel taking water samples out in the lake throughout Lake Erie's western basin—not near the water intake—have detected cell breakage using the manual version of the same device this season."
Bridgeman said that cell breakage events leading to large releases of dissolved toxin don't happen every year in Lake Erie.
Dr. Kuo-Pei Tsai, a post-doctoral research associate at the UToledo Lake Erie Center, works at the city's raw water pump station with the plastic storage tub containing a game-changing technology in the fight against toxic algae. Credit:Daniel Miller, The University of Toledo
"It happened in 2019 and possibly in 2014 but not to a large extent this summer, at least not near the water treatment plant's water intake out in the lake," Bridgeman said.
The Toledo Water Treatment Plant's laboratory makes the most use of the data.
"The experimental optical sensors being tested at the raw water pump station are a useful source for both the changes and the severity of algae levels coming from the lake," said Jeff Martin, chief chemist at the Toledo Water Treatment Plant. "We didn't have remote access to the data until part of the way through the bloom season due to computer issues, but since then it has been a welcome tool in treatment decisions."
Bridgeman has studied harmful algal blooms for two decades. His laboratory is one of the key locations for tracking and providing early warning of harmful algal blooms in the western basin of Lake Erie.
He said while the new instruments can detect the health, or physiological condition, of the cyanobacteria, they do not provide actual toxin readings, making them a supplemental weapon in a water utility manager's arsenal to efficiently and economically adjust treatment to maintain drinking water safety.
"Measuring toxin still requires a separate, fairly time-consuming test," Bridgeman said. "Therefore, the fast optical measurements will be coordinated with slower chemical toxin measurements to provide a complete picture of what is happening in the lake water that is entering the water plant."
The device will be removed from the water treatment plant for analysis in October and then his team will study the results and potentially put it back in the plant next summer.
Bridgeman's device monitoring tests are one part of a larger, wide-ranging project funded by the U.S. Army Corps of Engineers that also includes faculty in the UToledo College of Engineering.
Dr. Youngwoo Seo, professor of civil and environmental engineering and chemical engineering, leads the three-year project to improve water quality from the source to the tap.
Some of the technology and techniques being tested by UToledo are new to water treatment plants in the western hemisphere.
The project features two different parts working together:
Dr. Dae-Wook Kang, assistant professor of civil and environmental engineering, leads a molecular approach to develop a robust detection method, and his analysis will help better understand what triggers the toxin gene production of cyanobacteria.
Seo is focused on mitigation and the treatment method for toxin removal. His laboratory is working on the biological degradation of cyanobacteria and their toxins using the naturally occurring bacteria and viruses from the lake and NSF-approved chemical treatments. Harmful algal bloom becomes detectable along western Lake Erie
