SUPERVISOR
محمدعلی حاج عباسی جورتانی (استاد راهنما) محمدرضا مصدقی (استاد مشاور) مجید افیونی مبارکه (استاد راهنما) مژگان سپهری (استاد مشاور)
STUDENT
Nasrollah Sepehrnia
نصراله سپهرنیا
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Escherichia coli and Rhodococcus erythropolis Transport and Retention Through Wettable and Repellent Soils
The subject of repellent soil has been of important to researchers due to the global warming and increase of droughts. Water repellency has many effects on soil hydrology, and the processes of movement, translocation, traort, and immobilization of pollutants through soils. On the other hand, human activities particularly in agriculture setting are the main source of soil and water bacterial pollutions. Traort and fate of bacteria, therefore, has always been important to researchers as well. However, information how bacteria traort is in the repellent soils are scanty. Thus, understanding of the involved processes of bacteria traort through repellent soils will help us to apply proper management strategies in bacteria pollution problems. In this study, first, the effects of water repellency phenomenon on basic and hydrophysical properties of two distinct wettable and repellent soil profiles (0-60 cm), and in the following traort of Escherichia coli and Rhodococcus erythropolis in the wettable and repellent soils using disturbed columns (18.6 cm height and 7cm diameter) in four types of soil samples (wettable-sand, repellent-sand, wettable soil, and repellent soil) were investigated. Leaching was done to 8 pore volumes in saturated and unsaturated (-5 cm) using an infiltrometer and injection of 62 ml bacteria and Bromide on the top of the columns. The results showed that basic and hydrophysical properties were influenced by the type of soil and depth. The variations of MWD, OM, qv as basic physical and, Sw , Se , Sww , Swh , WDPT, RI c , RI m as hydrophysical properties were more influenced by water repellency through the repellent soil compared to the wettable soil. The modified water repellency index ( RI m ), and water repellency cessation time (WRCT), as new approaches were evaluated to detect persistence and severity of water repellency. The results of bromide and bacteria study revealed that traort of Escherichia coli and Rhodococcus erythropolis through wettable and repellent soils were different. The data indicated in the first pulse when the soils were dry, traort of bromide was govern by water repellency while it was influenced by water flow characteristics in the second pulse. Maximum concentrations of bromide was seen in the first samples of all effluents (regardless of soil, water flow and bacteria type), but this result was not found neither for Escherichia coli nor Rhodococcus erythropolis . Comparison of data proved traort of bacteria through soils is possible in both saturated and unsaturated water flow conditions even if the initial condition of soil is air-dried. Type of soil had very important role in controlling and moving fronts of bacteria. Straining and blocking were the important processes in the retention of bacteria but their efficiency were different based on bacteria strain, soil type, the water content, and the flow conditions. Generally, Escherichia coli was more retained in the soil columns compared to the Rhodococcus erythropolis . As soils were wetted, water flow was uniformly distributed through columns and maximum pollution fronts of bacteria by a less concentration compared to the air-dried status reached effluents. Biological and electrokinetics properties (zeta potential, hydrophobicity, surface charge, size and shape) of bacteria and furthermore, interaction energies between bacteria and porous media were important in retention of bacteria. Retention shapes of bacteria in the studies soils were uniform and exponential. Simulation of bacteria traort and retention were just possible for the wettable and repellent sands in the saturated flow condition using HYDRUS-1D. Finally, the roles of wettability and non-wettability of sand media and also hydrophobicity and hydrophilicity of bacteria were reflected in the traort parameters fitted using attachment and detachment model. Further studies are needed to quantify the traort parameters of bacteria using 3D (i.e. HYDRUS-2D/3D) modeling with regards to initial air-dried condition of real soil. Keywords: Repellent soil, wettable soil, E. coli , Rhodococcus erythropolis , unsaturated flow, water pollution, vadose zone, transient water.
با توجه به گرم شدن کره زمین و افزایش خشک سالی ها، موضوع خاک های آبگریز بیشتر مورد توجه پژوهشگران در سرتاسر دنیا قرار گرفته است. آبگریزی آثار زیادی بر هیدرولوژی خاک و فرآیندهایی مانند انتقال، جابجایی و غیر متحرک شدن آلاینده ها در خاک دارد. از طرفی فعالیت های انسانی به ویژه در بخش کشاورزی مهم ترین منبع آلودگی باکتریایی آب و خاک است. از این رو بررسی حرکت و سرنوشت باکتری ها در خاک نیز در کانون توجه محققین قرار دارد. اما اطلاعات و پژوهش های انجام شده درباره انتقال باکتری ها در خاک های آبگریز اندک است. از این رو در این پژوهش ابتدا اثر پدیده آبگریزی بر ویژگی های پایه و هیدروفیزیکی در دو نیمرخ خاک آبدوست و آبگریز (صفر تا 60 سانتی متر) بررسی شده، و سپس انتقـال و نـگـهداشت باکتری ایشریـشیاکولی ( Escherichia coli ) و ردوکـوکوس اریـتروپولـیـس ( Rhodococcus erythropolis ) در خاک های آبگریز و آبدوست با استفاده از چهار نمونه دست خورده شن آبدوست، شن آبگریز، خاک آبدوست و خاک آبگریز در مقیاس ستونی (ارتفاع 6/18 و قطر 7 سانتی متر) بررسی شد. آبشویی با استفاده از نفوذسنج مکشی و تزریق 62 میلی لیتر سوسپانسیون حاوی برومید و باکتری به سطح ستون ها تا 10 برابر حجم آب منفذی در جریان اشباع (مکش صفر سانتی متر) و غیراشباع (5 سانتی متر) انجام شد. نتایج نشان داد ویژگی های پایه و هیدروفیزیکی خاک در دو نوع خاک (آبدوست و آبگریز) و در عمق (صفر تا 60 سانتی متر) متفاوت بودند. تغییرات میانگین وزنی قطر خاکدانه، ماده آلی و رطوبت حجمی به عنوان ویژگی های پایه فیزیکی و هیدروفیزیکی جذب پذیری آب و اتانول، جذب پذیری آب در وضعیت آبدوستی و آبگریزی، زمان نفوذ قطره، شاخص آبگریزی مرکب و تغییر یافته ( S w ، S e ، S ww ، S wh ، WDPT، RI c و RI m ) در خاک-آبگریز بیشتر از خاک آبدوست تحت تأثیر آبگریزی قرار گرفتند. همچنین شاخص آبگریزی اصلاح شده ( RI m ) به عنوان روشی جدید برای تعیین وضعیت آبگریزی، و زمان شکست آبگریزی (WRCT) به عنوان یک روش برای تعیین پایداری و شدت آبگریزی پیشنهاد شد. در مطالعه حرکت برومید و باکتری، نتایج نشان داد که انتقال برومید و باکتری های ایشریشیاکولی ( ایکولای ) و رودوکوکوس اریتروپولیس در محیط های آبدوست متفاوت از محیط های آبگریز بود. در پالس اول زمانی که محیط ها خشک بودند، انتقال برومید تابع آبگریزی محیط، و در پالس دوم، تابع ویژگی های جریان بود. بیشترین غلظت برومید در نمونه های ابتدایی زه آب ها به صورت نتیجه ای هماهنگ (صرف نظر از نوع شن، خاک و جریان) در انتقال برومید بود. اما در حرکت باکتری ایکولای و رودوکوکوس اریتروپولیس چنین نتیجه ی هماهنگی مشاهده نگردید. مقایسه انتقال باکتری ها نشان داد با وجود هوا-خشک بودن ستون های خاک، انتقال باکتری ها در هر دو جریان اشباع و غیراشباع امکان پذیر است و نوع خاک نقش بسیار زیادی در نگهداشت باکتری ها وکنترل بیشترین جبهه آلودگی باکتری ها دارد. گیرافتادگی-فیزیکی و انسداد از فرآیندهای مهم در کنترل انتقال و نگهداشت باکتری ها بودند و کارآیی این فرآیندها بسته به گونه باکتری، نوع خاک و وضعیت رطوبتی خاک و جریان اعمالی متفاوت بود. خاک-آبدوست بیشترین گنجایش نگهداشت برای هر دو باکتری را نشان داد. اما به طور کلی، باکتری ایکولای در خاک ها بیش از باکتری رودوکوکوس اریتروپولیس نگهداشته شد. با تغییر وضعیت رطوبتی به طور پیوسته از هوا-خشک به غیراشباع و سپس نزدیک به اشباع (پالس دوم) توزیع جریان آب در نیمرخ ستون ها یکنواخت تر شد و بیشترین جبهه آلودگی باکتری ها با غلظت کمتری نسبت به وضعیت هوا-خشک اولیه (پالس اول) به زه آب خاک ها رسید. ویژگی های بیولوژیکی و الکتروسینیتیک (پتانسیل زتا، آبگریزی، بار سطحی، اندازه و شکل) باکتری ها و انرژی های واکنش بین محیط متخلخل و باکتری ها در انتقال و نگهداشت آنها در خاک های مورد مطالعه نقش مهمی داشتند. شکل های نگهداشت باکتری ها در نیم رخ شن و خاک ها نمایی و یکنواخت بود. شبیه سازی انتقال برومید و باکتری ها با استفاده از نرم افزار HYDRUS-1D تنها در جریان اشباع شن-آبدوست و -آبگریز ممکن شد و اثر واکنش های آبگریزی/آبدوستی محیط متخلخل و باکتری در پارامترهای انتقال شبیه سازی شده به وسیله مدل اتصال/انفصال نیز به خوبی مشخص شد. مطالعه و پژوهش های دیگری برای شناخت و کمّی کردن پارامترهای انتقال با شبیه سازی سه بعدی با توجه به شرط اولیه رطوبتی هوا-خشک ضروری است. واژه های کلیدی: خاک آبگریز، خاک آبدوست، باکتری ایکولای ، باکتری رودوکوکوس اریتروپولیس ، جریان غیراشباع، آلودگی آب، شبیه سازی حرکت باکتری