بخشی از مقاله
چکیده
بررسی انتقال میکروبها در خاک از جنبه های مختلف زیست محیطی مانند آلودگی آبهای زیرزمینی و پالایش زیستی خاکو آب زیرزمینی اهمیت دارد. هدف از این پژوهش مطالعه کمّی انتقال و نگهداشت باکتری اشریشیاکلی در ستونهای خاک دستخورده شنیلومی تحت شرایط رطوبتی اشباع بود.آزمایش در سه ستون خاک شنیلومی یکنواخت انجام شد. منحنیهای رخنه کلرید و باکتری اندازهگیری شد.
مدل سینتیک جذب-واجذب تک مکانی و دومکانی برنامه HYDRUS-1D برای پیشبینی انتقال و جذب باکتری در ستون خاک استفاده شد.نتایج نشان داد مدل جذب-واجذب سینتیک دو مکانی در مقایسه با تک مکانی برازش بهتری با دادههای حاصل از انتقال باکتری داشت.
مقدمه
آشامیدنی بیش از نیمی از مردم جهان آبهای زیرزمینی است. آلودگی میکروبی آبهای زیرزمینی نقش قابل ملاحضهای در شیوع بیماری-های میکروبی دارد. امروزه آلودگی آبهای زیرزمینی و اریه راهکارهای مناسب برای حفاظت از آنها به آلایندههای میکروبی نگرانی بزرگ جوامع گوناگون است.
مطالعه انتقال باکتری به ویژه در اراضی کشاورزی و عوامل موثر بر آن به منظور کنترل آلودگی آبهای زیرزمینی و پالایش زیستی خاک مورد توجّه پژوهشگران است. در سالهای اخیر خطر آلودگی خاک و آبهای زیرزمینی به باکتریهای کلیفرم به دلیل افزایش جمعیّت، کشت فشرده اراضی و کاربرد خاک به عنوان فیلتری زنده برای هضم فضولات حیوانی افزایش یافته است
در مطالعات انجام شده در مورد حرکت باکتریها در خاک، به تاثیر ویژگیایه خاک مانند میزان رطوبت خاک توجّه زیادی شده است. در مطالعهای دیوید و میلز - 2001 - حرکت باکتری اشریشیاکلی در ستونهای شن - کوارتز - در شرایط رطوبتی مختلف انجام دادند
نتایج نشان داد تحت شرایط رطوبتی اشباع و نزدیک به اشباع، میزان پالایش باکتری تیمارها در طول ستون خاک در مقایسه با شرایط رطوبتی غیراشباع کاهش مییابد. میزان باکتری بیشتر نگهداشته شده در قسمتهای بالایی ستون خاک بیانگر غالب بودن پالایش فیزیکی در نگهداری باکتری در ستونها شن مورد مطالعه بود.
هدف از این پژوهش مطالعه انتقال و نگهداشت باکتری گرم منفی اشریشیاکلی Escherichia Coli در ستونهای خاک دستخورده خاک مزرعه تحت شرایط جریان اشباع بود. در این مطالعه امکان وجود بیش از یک مکان جذب مورد قرار بررسی گرفت. لذا دو مدل جذب-واجذب سینتیک تک مکانی و دومکانی برنامه HYDRUS-1D برای پیشبینی انتقال و جذب باکتری در ستون خاک استفاده شد.
مواد و روشها
خاک
به منظور مطالعهکمّی جذب و انتقال باکتری در خاک کشاورزی تحت شرایط اشباع، 3 ستونهای خاک دستخورده از مزرعه باغبانی دانشکده کشاورزی دانشگاه شهید چمران اهواز نمونه برداری گردید. نمونهی خاک نخست هواخشک شده و پس از کوبیدن از الک 2 میلیمتری عبور داده شد. تعداد 3 عدد لوله پلیاتیلن با قطر و ارتفاع به ترتیب 24 و 25 سانتیمتر بُرش داده شدند. ستونهای خاک همگن با جرم ویژه ظاهری 1/48 گرم بر سانتیمتر مکعب تهیه گردیدند جهت جلوگیری از ایجاد جریان ترجیحی در کنارههای ستون خاک، دیوارههای ستون به مواد نفتی آغشته گردید و برای حصول اطمینان از همگنی خاک و لایهای نشدن، هر یک از ستونها با قیف فلزی و به آرامی پُر شدند.
توزیع اندازهذرّات خاک به روش هیدرومتری، مقدار کربن آلی خاک به روش اکسیداسیون تر و تیتراسیون با فروآمونیوم و مقدار ظرفیت تبادل کاتیونی خاک - CEC - با جایگزینی کاتیونها با استات سدیم - NaOAc - در 8/5 pH اندازهگیری شد [2]ترکیب کانی شناسی خاک به کمک X-Rayو اندازه ذرّات خاک به کمک دستگاه مستر سایزر تعیین گردید. اسیدیته در گل اشباع و هدایت الکتریکی - کل املاح محلول - در عصاره اشباع تعیین شد.
باکتری
در این پژوهش انتقال و جذب باکتری Escherichia Coli در شرایط اشباع مطالعه شد. اشریشیاکلی باکتری است که بصورت طبیعی در روده انسان و حیوان زندگی میکند. باکتری اشریشیاکلی به دلیل بار منفی، تحرّک بالا و فراوانی در زهابهای حاصل از کشاورزی به عنوان شاخص میکروبی آبهای زیرزمینی شناخته شده است .[5] در این پژوهش سویه استانداردEscherichia Coli o157:H7 مورد بررسی قرار گرفت. جهت تهیّه سوسپانسیون باکتری یک کلونی از سویه استاندار E.Coli O157:H7 باکتری اشریشیاکلی خالصسازی شده، مطابق با روشهای مذکور در 500 میلیلیتر محیط نوترینت براث به مدّت 24 ساعت در دمای 37 درجه سانتیگراد رشد داده شد. سپس باکتری با استفاده از سانتریفیوژ در دور 3000 rpmبه مدّت 10 دقیقه از محیط مغذی جداسازی شد.
پس از آن باکتری جدا شده دو مرتبه با محلول کلرید کلسیم 0/05 مولار شستشو داده شد. سوسپانسیون باکتری با غلظت - cfu/ml - 109 در محلول کلرید کلسیم 0/05 مولار استریل به کمک قرائت OD1 به وسیله دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 600 نانومتر و شمارش بشقابی بدست آمد .[4] برای شمارش باکتری در زهآب خروجی و نیمرخ خاک از روش شمارش زنده2 بر روی محیط کشت ائوزین متیلین بلو - EMB - 3 استفاده شد.
آزمایش انتقال
آزمایش انتقال باکتری و کلراید به گونهای طراحی شد که جریان اشباع پایدار با شیب هیدرولیکی واحد در طول ستون خاک برقرار شود. بدین منظور بار آبی به ارتفاع کمتر از 5 میلیمتر بر سطح خاک برقرار گردید. محلول 0/01 مولار CaCl2 به عنوان محلول زمینه استفاده شد. پس از برقراری جریان پایدار با محلول زمینه، محلول 0/05 مولارCaCl2به مدّت 20 دقیقه به سطح ستون خاک تزریق گردید.
پس از پایان تزریق مجددا" محلول زمینه جایگزین گردید. تغییرات هدایت الکتریکی زهاب خروجی جمعآوری شده با دستگاه EC سنج اندازه-گیری شد. سپس منحنی رخنه کلرید بر حسب غلظت نسبی - C/C0 - در برابر زمان رسم شد. همچنین برای اندازهگیری منحنی رخنه باکتری سوسپانسیون باکتری با توجّه به مدّت زمان انجام آزمایش جایگزین محلول زمینه 0/01 مولار CaCl2 شد. به منظور اندازهگیری باکتری در نیمرخ خاک پس از پایان آزمایش انتقال باکتری، ستون خاک به لایههای 5 سانتیمتری برش داده شد و از هر لایه نمونههای همگن تهیّه گردید.
معادلات حاکم بر انتقال انتقال عنصر ردیاب کلراید
مدلهای زیادی برای بیان کمّی حرکت املاح در خاک وجود دارند. در این میان، مدل موسوم به جریان تودهای-انتشار - CDE - 4 بیشترین کاربرد را دارد. انتقال املاح غیرواکنشگرمانند5 کلرید عموماًً با معادله جریان تودهای-انتشار بیان میشود.
که در آن c غلظت نمک در فاز مایع - ML-3 - ، D ضریب انتشار - L2T-1 - ، سرعت منفذی آب - LT-1 - ، t زمان و z عمق - L - میباشد. پارامترهای و D با استفاده از روش غیرخطی تخمین پارامتر بر اساس الگوریتم لونبرگ-مارگورت برآورد شدند
بدین منظور از برنامه CXTFIT که به طور تحلیلی معادله CDE را برای شرایط مرزی معین حل مینماید، استفاده شد .[13] سپس پارامترهای انتقال - و - D تخمین داده شده و شدتجریان دارسی - q - که در آزمایشگاه اندازهگیری شد برای تعیین مقدار رطوبت حجمی - =Q/V - و ضریب انتشارپذیری - =DV - استفاده شدندپارامترهای تخمین زده شده - و - و شدّت جریان اندازهگیری شده در شبیهسازی انتقال باکتری با استفاده از برنامه HYDRUS-1D مورد استفاده قرار گرفتند
انتقال باکتری
معادله سینتیک دو مکانی یا مدل جذب واجذب به شکل زیر میباشد
که در آن C غلظت باکتری، ویروس یا کلوئید در فاز مایع - NL-3 - ، S غلظت - کلوئید، باکتری یا ویروس - در فاز جامد - NM-1 - ، اندیسهای اعداد 1 و 2 به ترتیب مکانهای سینتیک1 1 و 2 را نشان میدهند.
D ضریب انتشار - L2T-1 - 2 ، v سرعت منفذی آب - LT-1 - ، تخلخل کل - - L-3L-3، b جرم ویژه ظاهری خاک - ML-3 - ، S غلظت باکتری جذب شده به خاک - NL-3 - میباشد. katt و kdet به ترتیب نرخ جذب و واجذب باکتری از ذرّات خاک - T-1 - و t زمان میباشد. O و V به ترتیب غیر فعّال شدن باکتری در فاز مایع و جامد میباشند.
نتیجه گیری
درجدول - 1 - ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاک مورد مطالعه ارائه شده است. شایان ذکر است که ترکیب کانی خاک بدست آمده توسط دستگاه مستر سایزر کانیهای کلریت و کوارتز بود.
جدول - - 1 برخی از ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاک مورد آزمایش
انتقال کلراید
در شکل - 1 - منحنیهای رخنه کلراید اندازهگیری شده و برآورد شده با مدلCXTFIT برای خاک مورد مطالعه ارائه شده است. ضریب تبیین - R2 - بین مقادیر اندازهگیری شده و برآورد شده با مدل 97 درصد است .پارامترهای انتقال تخمین داده شده برای کلراید در جدول - 2 - آمده است.
