L’acqua è una risorsa essenziale per la vita dell’uomo.

 


 

Essa è fondamentale non soltanto per la sopravvivenza stessa, ma anche per attività quali l’agricoltura e l’industria. Senza di essa difficilmente vi può essere sviluppo e il mantenimento delle risorse idriche è sicuramente un problema molto importante. Le riserve idriche sono soggette a un deterioramento dovuto a molti fattori, tra i quali gli scarichi industriali, spesso ricchi di sostanze chimiche dannose per l’ecosistema in cui vengono immesse, l’utilizzo di pesticidi e nitrati nell’agricoltura, che contaminano il suolo e le falde acquifere sottostanti, l’inquinamento atmosferico sempre più consistente che viene poi riportato al suolo e nelle acque dalle cosiddette “piogge acide”, il fatto che in alcuni paesi si utilizzi ancora come acqua potabile acqua non sicura.

E’ pertanto necessario definire degli indici di qualità dell’acqua, e mettere a punto metodi che siano in grado di recuperare le acque non potabili e non sicure rendendole potabili o perlomeno adatte agli usi umani. Ciò richiede un monitoraggio affidabile delle acque, e dei processi di risanamento.

A tale scopo è innanzitutto necessario definire quando un acqua può essere ritenuta potabile. Allo stato attuale, si può parlare di potabilità legislativa: infatti la definizione corrente di potabilità è riferita ad alcune tabelle, in particolare a quelle in allegato a vari decreti legislativi sulla qualità delle acque destinate al consumo umano, in cui vengono indicate le concentrazioni massime di sostanze inquinanti e ritenute tossiche per l’uomo.Ovviamente tale approccio non considera gli effetti dovuti a possibili correlazioni e sinergismi fra i vari inquinanti.

Per superare tale incongruenza è stato applicato un sensore di tossicità integrale basato sulla misura delle capacità respiratorie di cellule di lievito libere in soluzione. I lieviti sono organismi cellulari la cui sopravvivenza dipende dall’idratazione, dalla respirazione e dal nutrimento (nel caso specifico saccaridi): queste caratteristiche rappresentano una sorta di analogia con il modello umano, seppur semplificato e la risposta che i lieviti forniscono in ambienti acquatici inquinati può essere indicativa dell’effetto che tali inquinanti hanno sull’organismo umano.

Premesso che la rispondenza ai limiti legislativi è condizione non sufficiente per definire la potabilità in presenza di sinergismi, come soi può rappresentare la funzione diagnostica? Inizialmente si era pensato ad un look-up table: sarebbe però stato necessario  memorizzare milioni di dati ed eseguire un numero molto elevato di prove per tenere conto della continuità del fenomeno. Purtroppo i problemi riscontrati durante le misure, quali il tempo di risposta del sensore dell’ordine di ore e l’impossibilità di automatizzare il processo di misura dovuta soprattutto alla necessità di maneggiare soluzioni hanno reso proibitiva l’idea di utilizzare la look-up table.

 

Nella teoria delle reti neurali è presente il teorema di approssimazione universale che ci garantisce che una rete neurale di tipo percettrone multistrato se opportunamente dimensionata è in grado di approssimare una qualsiasi funzione non lineare.
Con tale dispositivo possiamo avere una risposta immediata in fase di misura con sensori specifici per la rivelazione degli inquinanti che si desidera monitorare, abbiamo la possibilità di eseguire un numero ridotto di misure (grazie alla proprietà di generalizzazione) e di avere un’occupazione di memoria minima (è necessario memorizzare soltanto pesi e soglie della rete).

E’ stato dimostrato che la regione di potabilità è rappresentata da una funzione complessa riproducibile da una rete neurale addestrata opportunamente.
Addestrando la rete con il sensore di cui sopra, i vantaggi ottenuti sono:

  • Riproduzione del sensore stesso nel caso specifico analizzato;
  • Riduzione dell’ingombro: le reti possono essere realizzate con chip dell’ordine dei mm2;
  • Risposta immediata sulla base delle misure dei sensori specifici;
  • Numero ridotto di dati di cui è necessario l’immagazzinamento

Naturalmente i risultati di questo lavoro presentano degli interessanti sviluppi:

  • Ampliamento della rosa di sensori da cui prelevare i segnali: possibile inserimento di elettrodi per la misura di conducibilità, temperatura, potenziale redox, etc.;
  • Riduzione delle misure da effettuare nello studio e nella caratterizzazione di sensori biologici ideati per il rilevamento di inquinanti particolari, quali sensori di genotossicità o di neurotossicità;
  • Studio della possibilità di riaddestrare una rete per apportare delle modifiche al suo comportamento, variando ad esempio la risposta per un ingresso a cui in precedenza era addestrata a rispondere in maniera differente;
  • Possibilità di addestrare reti neurali per classificare la potabilità o meno dell’acqua basandosi su altri tipi di dati (ad esempio mortalità in una certa regione), piuttosto che su misure provenienti da sensori di tossicità.