Ett nytt forskningsverktyg för att skydda dricksvatten håller nu ett vakande öga på Lake Erie. Denna vecka, ett robotlaboratorium vid sjöbotten började spåra nivåerna av farliga gifter som produceras av cyanobakterier som blommar varje sommar i sjöns västra bassäng.
Målet är att ge förvarning till kommunala dricksvattenförvaltare och därigenom förhindra att vattenkrisen återkommer som lämnade över 400, 000 invånare i Toledo-området utan säkert dricksvatten i cirka två dagar i början av augusti 2014 på grund av höga halter av mikrocystintoxiner.
Köpet av $375, 000 enhet, som är känd som en miljöprovprocessor eller ESP, var ett direkt svar på Toledo-händelsen. Den är placerad på en plats på sjöns botten där den kan ge ungefär en dags varsel om mycket giftigt vatten verkar vara på väg mot stadens vattenintag.
Tester kommer att göras varannan dag initialt, ökade sedan till en gång om dagen från och med 1 augusti för att sammanfalla med den förväntade toppen i blomtoxicitet. Testresultat skickas automatiskt via e-post till forskarnas inkorgar i Ann Arbor.
"Vårt främsta mål är att skydda vattenintag och att förhindra allmänhetens exponering för dessa toxiner, " sa vattenekologen Tom Johengen, biträdande direktör för Cooperative Institute for Great Lakes Research (CIGLR) vid University of Michigan. "Om den här enheten hade varit på plats sommaren 2014, det skulle ha gjort skillnad."
Projektet är ett samarbete mellan CIGLR, National Oceanic and Atmospheric Administrations Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) i Ann Arbor, NOAA:s nationella centra för kusthavsvetenskap och Monterey Bay Aquarium Research Institute. Robotlabbet, som går under namnet ESPniagara, köptes med medel från det federala Great Lakes Restoration Initiative, vilket också hjälper till att betala driftskostnaderna.
Ytterligare två ESP:er kommer att distribueras för testning i västra Lake Erie nästa sommar och bör vara i normal drift 2019, sa Timothy Davis, en molekylär ekolog vid NOAA:s Ann Arbor-labb och ledare för GLERL-CIGLR-gruppen för övervakning av skadliga algblomningar. I sista hand, toxicitetsdata från de tre autonoma laboratorierna kommer att införlivas i kortsiktiga algblomningsprognoser för den västra Lake Erie-bassängen.
"Förhoppningsvis, vi kommer aldrig att ha en händelse som Toledo igen, eftersom vi kommer att kunna förutsäga blomningsplatsen, rörelse och toxicitet med noggrannhet så att vattenbehandlingsansvariga vet när det kommer och kan förberedas, " sa Davis.
Mer än ett dussin ESP:er används globalt, men ESPniagara är den första i de stora sjöarna och den första att testa för mikrocystiner, en klass av toxiner som produceras av vissa sötvattenscyanobakterier.
Cyanobakterier är fotosyntetiska organismer som ibland kallas blågröna alger. De stora sjöarna är hem för dussintals vanliga cyanobakteriella arter, men endast ett fåtal är giftiga bråkmakare. Toledos vattenkris skylldes på toxiner som producerats av den vanliga arten Microcystis aeruginosa.
ESPniagara "labb i burk" testades på fältet i västra Lake Erie i höstas. Det distribuerades för regelbunden service den 11 juli och började rutinmässiga toxintester den 18. juli. Det ligger cirka 4 miles väster om Toledo kommunala vattenintag på ett djup av 18 fot. Den kommer att ligga kvar till mitten av augusti, när den kommer att hämtas för rutinunderhåll, återvände sedan till sjön i september och oktober.
CIGLR-forskningsteknikern Emily Davenport tillbringade de senaste månaderna för att göra labbet redo för sin sommarinstallation. Hon växte upp vid stranden av Lake Erie på Catawba Island, Ohio, och gick Bowling Green State University.
"De lokala ekonomierna på sjöstranden är beroende av sjöns vitalitet, så vi vill alla att Lake Erie ska frodas, ", sa Davenport. "Jag är verkligen stolt över att arbeta i Great Lakes vattenkvalitetsforskning, eftersom det gynnar människors liv på ett sätt som är påtagligt.
"Ibland kan det vara riktigt svårt att kommunicera vikten av vetenskap till allmänheten, men inte i detta fall. Vi behöver alla rent vatten."
Förutom hennes arbete med ESPniagara, Davenport är en del av ett CIGLR-NOAA-team för övervakning av skadlig algblomning som gör veckoresor till Lake Erie för att samla in vattenprover för analys i Ann Arbor. Att få dessa testresultat tar vanligtvis 24 till 48 timmar. Men med ESPniagara, mikrocystinresultaten vidarebefordras till forskarna tre till fyra timmar efter att enheten har tagit ett vattenprov.
"Hela poängen med att ha denna ESP är att få nästan realtid, in situ toxicitetsmätningar på en daglig tidsskala istället för en gång i veckan, "Johengen sa. "Den förbättrade tidsmässiga upplösningen kommer att tillåta oss att ge mer lägliga varningar till vattenförvaltare och kommer att ge forskare nya insikter om dynamiken i blomtoxicitet."
Teamets veckovisa provtagningsresor till Lake Erie kommer att fortsätta och är en del av ett omfattande forskningsprogram för skadlig algblomning som även inkluderar analys av satellitbilder, genetiska studier av cyanobakterier och utfärdande av regelbundna HAB -bulletiner till allmänheten. En betydande del av lagets årliga budget på 2,5 miljoner dollar tillhandahålls av Great Lakes Restoration Initiative.
Den 13 juli, NOAA publicerade sin säsongsbetonade prognos för skadlig algblomning för sjön Erie, som krävde att ett "betydande" HAB skulle utvecklas i västra bassängen i sommar. Den främsta drivkraften för Lake Eries skadliga algblomning är förhöjd fosfor från vattendelar som dränerar till sjöns västra bassäng, särskilt från den tungt jordbruksbaserade Maumee River vattendelaren.
NOAA:s skadliga algblomningsprognoser förutspår storleken, eller biomassa, av en blomning men säger ingenting om dess toxicitet. Nivåerna av mikrocystingifter i blomningen varierar under sommaren eftersom sammansättningen av dess cyanobakteriella samhälle förändras. ESPniagara ger ett första steg mot att tillhandahålla Lake Erie HABs prognoser som inkluderar toxicitetsinformation, Johengen sa.
ESPniagara väger mer än 1, 000 pund och sänks ner i sjön från däcket på ett fartyg. Den består av en skyddande stålram som omger ett analytiskt biokemilabb inuti en vattentät behållare, tillsammans med en boj som flyter ovanför.
Stålramverket kallas ESP-lander, och den vilar direkt på sjöbotten. Bojen är bunden till labbet med en plastslang och en datakabel. Bojen samlar upp vatten från ytan och pumpar ner det i slangen till labbet, och den är också utrustad med ett mobilmodem för att överföra resultat tillbaka till Ann Arbor. Vattenprover samlas också in 4 fot ovanför sjöns botten, samma djup som används av många kommunala vattentäkter.
Inne i det specialbyggda våta labbet, cyanobakterieceller filtreras från vattenproverna, därefter extraheras mikrocystintoxinerna från cellerna. Det flytande extraktet bearbetas sedan med en ELISA analytisk biokemianalys, ett vanligt biomedicinskt test som använder antikroppar och färgförändringar för att identifiera ämnen. När testet är klart, en kamera ombord tar en bild av resultatet och skickar tillbaka den till Ann Arbor, där bildens ljusstyrka används för att bestämma mängden mikrocystin i provet.
"Vattenkrisen i Toledo ställde frågan om Lake Erie skadliga algblomningar i rampljuset och visade hur påverkan de kan vara för människors dagliga liv - och potentiellt för människors hälsa - genom att påverka en av de grundläggande resurserna som vi behöver för livet, som är rent dricksvatten, " sa Davis.
