Il ricercatore di Stanford Ryan Searcy raccoglie campioni d'acqua da una pozza di marea nella riserva marina di Fitzgerald, a Moss Beach, California. Credito:Meghan Shea
Meno di due giorni di campionamento della qualità dell'acqua nelle spiagge locali potrebbero essere tutto ciò che è necessario per ridurre le malattie tra milioni di bagnanti ogni anno a causa dell'acqua contaminata, secondo una nuova ricerca di Stanford. Lo studio, pubblicato in Scienze e tecnologie ambientali , presenta un quadro di modellizzazione che predice in modo affidabile la qualità dell'acqua sulle spiagge dopo solo un giorno o due di frequenti campionamenti dell'acqua. L'approccio, testato in California, potrebbe essere utilizzato per tenere sotto controllo aree costiere altrimenti non monitorate, che è fondamentale per proteggere il benessere dei bagnanti e le fiorenti economie oceaniche in tutto il mondo.
"Questo lavoro combina conoscenze di microbiologia, processi costieri e data science per produrre uno strumento per gestire efficacemente una delle nostre risorse più preziose e proteggere la salute umana, " ha detto l'autore senior Alexandria Boehm, un professore di Stanford di ingegneria civile e ambientale.
La misurazione delle concentrazioni di batteri indicatori fecali (FIB) - che denotano la presenza di materia fecale e possono portare a condizioni dell'acqua non sicure - sulle spiagge garantisce la salute e la sicurezza del pubblico. Mentre tutta l'acqua dell'oceano contiene un certo grado di agenti patogeni, come batteri o virus, sono tipicamente diluiti a concentrazioni innocue. Però, variazioni delle precipitazioni, temperatura dell'acqua, vento, deflusso, rifiuti nautici, straripamento fognario, vicinanza agli impianti di trattamento dei rifiuti, animali e uccelli acquatici possono portare a un afflusso di contaminazione dell'acqua. L'esposizione a questi contaminanti può causare molti disturbi, comprese le malattie respiratorie e gastrointestinali, insieme alla pelle, infezioni agli occhi e alle orecchie dei bagnanti.
La protezione delle acque costiere e delle persone che le utilizzano rimane essenziale per gran parte delle 840 miglia di costa della California. Oltre 150 milioni di persone nuotano, Surf, tuffati e gioca in una delle 450 spiagge dello stato all'anno, generando oltre 10 miliardi di dollari di entrate. Secondo il Consiglio di controllo delle risorse idriche dello Stato della California, agenzie sanitarie in 17 contee, impianti di depurazione di proprietà pubblica, gruppi ambientalisti e diversi gruppi scientifici di cittadini eseguono il campionamento dell'acqua in tutto lo stato. Però, non tutte le acque vengono controllate regolarmente a causa di problemi di accessibilità, vincoli di risorse di budget o la stagione, nonostante il loro utilizzo da parte del pubblico.
Un altro ostacolo alla salvaguardia della salute pubblica risiede nell'intervallo di tempo tra il campionamento e i risultati, fino a due giorni, che porta i gestori delle spiagge a prendere decisioni che riflettono le condizioni passate sulla qualità dell'acqua. Quando le acque monitorate contengono alti livelli di batteri e rappresentano un rischio per la salute, i gestori delle spiagge pubblicano cartelli di avvertimento o chiudono le spiagge. Il ritardo negli attuali metodi di test potrebbe esporre inconsapevolmente i nuotatori ad acque malsane.
Per superare questi limiti, i ricercatori hanno combinato il campionamento dell'acqua e i dati ambientali con metodi di apprendimento automatico per prevedere con precisione la qualità dell'acqua. Sebbene i modelli predittivi della qualità dell'acqua non siano nuovi, hanno generalmente richiesto lo sviluppo di dati storici che abbracciano diversi anni.
Il team ha utilizzato campioni d'acqua raccolti a intervalli di 10 minuti in un arco di tempo relativamente breve di uno o due giorni sulle spiagge di Santa Cruz, Monterey e Huntington Beach. Tra i tre siti, 244 campioni sono stati misurati per le concentrazioni di FIB e contrassegnati come sopra o sotto il livello accettabile ritenuto sicuro dallo stato. I ricercatori hanno quindi raccolto dati meteorologici come la temperatura dell'aria, radiazione solare e velocità del vento insieme a dati oceanografici compreso il livello di marea, l'altezza delle onde e la temperatura dell'acqua (tutti i fattori che influenzano le concentrazioni di FIB) nello stesso arco di tempo.
Utilizzando i dati sulla qualità dell'acqua ad alta frequenza e i metodi di apprendimento automatico, hanno addestrato modelli informatici per prevedere con precisione le concentrazioni di FIB in tutte e tre le spiagge. I ricercatori hanno scoperto che il campionamento orario dell'acqua per 24 ore consecutive, catturando un intero ciclo di marea e solare, si è rivelato sufficiente per risultati affidabili. L'alimentazione del quadro di dati meteorologici e di marea da periodi di tempo più lunghi ha portato a previsioni future sulla qualità dell'acqua che erano affidabili per almeno un'intera stagione.
"Questi risultati sono davvero incoraggianti per le comunità che vogliono sapere cosa sta succedendo con la qualità dell'acqua nella loro spiaggia, "Searcy ha detto. "Con alcune risorse per iniziare e un giorno di campionamento, queste comunità potrebbero raccogliere i dati necessari per avviare i propri sistemi di modellazione della qualità dell'acqua".
Il codice quadro, che è pubblicamente accessibile, potrebbe anche essere sviluppato per previsioni accurate di altri contaminanti come le alghe nocive, metalli e sostanze nutritive note per provocare il caos nelle acque locali. I ricercatori sottolineano che sono necessarie ulteriori analisi per determinare meglio l'esatto lasso di tempo in cui questi modelli rimangono accurati e notano che la valutazione e la riqualificazione continua dei modelli rimane una best practice per previsioni accurate.