Study of Sicilian Surface Freshwater Catchments for Environmental and Peoples Risk Assessment

Due to the population growth, urbanization and economic development, demand for freshwater in urban areas is increasing throughout Europe. At the same time, climate change and pollution are also affecting the availability of water supplies. Sicily, a southern island of Italy, suffers from a growing strong water scarcity and drought. The freshwater basins of Sicily are not well characterized and classified. In last decades, in Sicilian freshwater surface reservoirs several Planktothrix rubescens and Microcystis aeruginosa blooms have reported. A further actual worldwide problem for all surface freshwaters basins is the increasing of heavy metals concentrations in their waters. Aims of this research doctoral project were: a) perform a census of Sicilian natural and artificial freshwater basins and identify which of these are suitable for use for drinking purposes; b) carry out a risk assessment related to presence of Microcystins and heavy metals (As, Pb, V, Cd, Al); c) evaluate the waters toxicity through ecotoxicological bioassays and verify if they would be sensitive and reliable to investigate on toxicity of mixtures of heavy metals and Microcystins. It was carried out the monitoring of 15 surface basins, among the 30 existing in Sicilian territory, through seasonal chemical, physical and microbiological analysis of the waters such as required by Italian law, the Legislative Decree 152/2006. Moreover, it was performed speciation of cyanobacteria community, cell counting, and PCR analysis. Finally, it was carried out acute (V. fischeri), subacute (T. platyurus) and chronic (D. magna) ecotoxicological assays. There is much reassurance about quality chemical status of basins. In fact, there are no heavy metals above the reference values. Only Aluminum and Iron are present often in large concentration. The high levels of total nitrogen and phosphorus give information about the inflow of partially or completely untreated urban and rural wastewater in all basins. However, in 50% of examined dams, there were the presence of several cyanobacteria species. In particular, it was detected cyanobacteria bloom in Disueri in period between July and September 2017. Microcystis sp. and Cylindrospermopsis raciborskii were detected (108 and 107 cell/L, respectively) and by mid-August were replaced by Anabaenopsis sp. and Plankthotrix rubescens, still growing in mid-September (107 and 106 cell/L, respectively). MCs concentrations in every samples were low, in agreement with the lack of qualitative amplification of the mcyE gene. The distance biplot of PCA showed that Disueri, Pozzillo, Trinità and Arancio dams are located near together and are strongly influenced by N, Fe, Al, V, Mn, F, Mn, Cl, pH, Ca and Nitrite. In recent past, all these dams were currently affected by harmful algal bloom. V. fischeri and D. magna assays seem to respond to the number of cyanobacteria cells rather than toxins concentrations. Instead, T. platyurus assay show a significant positive relationship between MCs concentrations measured by ELISA test. In conclusion, the chemical quality of Sicilian surface freshwaters catchments is good and it could be improved it with a better treatment and management of wastewaters got into the surface waters. Concerning the Microcystins contamination, since in every analyzed sample the concentration was below the WHO reference value for drinking waters (1 ug/L) it seems not to be a high and worrying risk for human and environmental health in the brief time. The simultaneous execution of V. fischeri and T. platyurus bioassays could favor the monitoring of waters both economically and technically. PCA analysis seems to be reliable to be used as predictive models for cyanobacteria growth. Finally, respecting these describes condition, it would be possible the use of waters of all monitored basins as drinking after an adequate treatment according to Italian Legislative Decree 152/2006.

A causa della crescita della popolazione, dell'urbanizzazione e dello sviluppo economico, la domanda di acqua dolce nelle aree urbane è in aumento in tutta Europa. Allo stesso tempo, i cambiamenti climatici e l'inquinamento influenzano anche la disponibilità di risorse idriche. La Sicilia, un'isola meridionale dell'Italia, soffre di una crescente scarsità d'acqua e siccità. I bacini d'acqua dolce della Sicilia non sono ben caratterizzati e classificati. Nell ultimo decennio, sono state segnalate diverse fioriture di P. rubescens e M. aeruginosa. Un ulteriore problema a livello mondiale per tutti i bacini di superficie delle acque dolci è l'aumento delle concentrazioni di metalli pesanti nelle loro acque. Obiettivi di questo progetto di ricerca sono stati: a) eseguire un censimento dei bacini d'acqua dolce naturali e artificiali siciliani e identificare quali di questi sono adatti per l'uso a scopo potabile; b) effettuare una valutazione del rischio relativa alla presenza di microcistine e metalli pesanti (come, Pb, V, Cd, Al); c) valutare la tossicità delle acque attraverso i saggi ecotossicologici e verificare se questi siano sensibili e affidabili per indagare sulla tossicità delle miscele di metalli pesanti e microcistine. È stato effettuato il monitoraggio di 15 bacini di superficie, tra i 30 esistenti nel territorio siciliano, attraverso analisi stagionali chimiche, fisiche e microbiologiche delle acque come richiesto dalla legge italiana, il D.Lgs. 152/2006. Inoltre, è stata eseguita la speciazione della comunità dei cianobatteri, il conteggio delle cellule e l'analisi della PCR. Infine, sono stati eseguiti saggi ecotossicologici acuti (V. fischeri), subacuti (T. platyurus) e cronici (D. magna). Ci sono molte rassicurazioni sulla qualità chimica dei bacini. Infatti, non ci sono metalli pesanti sopra i valori di riferimento. Solo alluminio e ferro sono presenti spesso in grande concentrazione. Gli alti livelli di azoto totale e fosforo forniscono informazioni sull'afflusso di acque reflue urbane e rurali parzialmente o completamente non trattate in tutti i bacini. Tuttavia, nel 50% delle dighe esaminate vi era la presenza di diverse specie di cianobatteri. In particolare, è stata rilevata una fioritura di cianobatteri nella diga Disueri tra luglio e settembre 2017. Microcystis sp. e C. raciborskii sono stati rilevati e verso la metà di agosto sono stati sostituiti da Anabaenopsis sp. e P. rubescens. Le concentrazioni di MC in tutti i campioni erano basse, in accordo con la mancanza di amplificazione qualitativa del gene mcyE. Il biplot di distanza della PCA ha mostrato che le dighe Disueri, Pozzillo, Trinità e Arancio si trovano vicine e sono fortemente influenzate da N, Fe, Al, V, Mn, F, Mn, Cl, pH, Ca e Nitriti. Negli ultimi tempi tutte queste dighe sono state colpite dalla proliferazione di cianobatteri nocivi. I test ecotossicologici al V. fischeri e D. magna sembrano rispondere positivamente al numero di cellule di cianobatteri piuttosto che alle concentrazioni di tossine. Invece, il saggio di T. platyurus mostra una correlazione positiva significativa tra le concentrazioni di MCs misurate mediante test ELISA. In conclusione, la qualità chimica dei bacini idrici di superficie delle acque siciliane è buona e potrebbe essere migliorata con trattamenti adeguati e una gestione migliore delle acque reflue immesse nelle acque superficiali. Per quanto riguarda la contaminazione da MCs, poiché in ogni campione analizzato la concentrazione era inferiore al valore di riferimento dell'OMS per le acque potabili (1 ug/L), non sembra esserci un rischio elevato e preoccupante per la salute umana e ambientale nel breve periodo. L'esecuzione simultanea di prove biologiche di V. fischeri e T. platyurus potrebbe favorire il monitoraggio delle acque sia dal punto di vista economico che tecnico. L'analisi PCA sembra essere affidabile per essere utilizzata come modello predittivo per la crescita dei cianobatteri.