تأثیر اندازه ذرات کود گاوی بر انتقال آلودگی باکتریایی با استفاده از مدل جذب- واجذب در خاک تحت جریان اشباع

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

2 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

3 استادیار گروه کشاورزی، دانشگاه پیام نور، ایران

4 استاد گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ولیعصر رفسنجان، رفسنجان، ایران

چکیده

کودهای دامی منبع میکروارگانیسم‌های بیماری‌زایی می‌باشند که می‌توانند سبب آلودگی منابع آب‌های سطحی و زیرسطحی شوند. باکتری‌ها پس از آزاد شدن از کود، می‌توانند به درون خاک نفوذ کرده و انتقال یابند. این پژوهش با هدف شبیه‌سازی اثر دانه‌بندی کود گاوی بر ضرایب انتقال باکتری ایشریشیاکولی در ستون شن تحت جریان اشباع انجام شد. کود گاوی با اندازه ذرات 25/0، 5/0، 1 و 2 میلی‌متر معادل با 30 تن در هکتار بر حسب وزن خشک استفاده شد. به موازات این تحقیق از ردیاب کلراید نیز برای بررسی ضریب انتشار پذیری خاک استفاده گردید. اثر تیمارهای کود بر انتقال باکتری ایشریشیاکولی در خاک با اندازه‌گیری تعداد باکتری و ردیاب کلراید در زه‌آب خروجی تا 20 سانتی‌متر مکعب حجم آب منفذی بررسی شد. از نرم افزار HYDRUS-1D برای شبیه سازی استفاده شد. به منظور تعیین کلراید از الگوریتم لونبرگ- مارگوت و بهینه‌سازی غیر خطی و برای تعیین نگهداشت و انتقال باکتری از معادله سینتیک دو مکانی یا مدل جذب واجذب و حل معکوس استفاده شد. نتایج نشان داد شبیه‌سازی انتقال باکتری توسط HYDRUS-1D و مدل سینتیک دو مکانی به خوبی برای تمام تیمارهای کودی انجام شده است (میانگین انحراف معیار 056/0 و ضریب تعیین 905/0). تیمار 25/0 میلی‌متر بهترین تطابق را با نتایج شبیه‌سازی داشت. بر اساس نتایح تحقیق، بیشترین غلظت باکتری زه‌آب، در تیمار 2 میلی‌متر بدست آمد که ناشی از درشتی ذرات کود و خروج سریع‌تر و زودهنگام باکتری از بین ذرات آن می‌باشد. کمترین نرخ جذب، 6-10×59/5 (s-1)، در تیمار کودی 2 میلی‌متر بدست آمد که دلیل آن رهایش بیشتر باکتری در این تیمار کودی و در نتیجه افزایش نرخ واجذب،1-10×61/3 (s-1)، بود. همچنین با افزایش عمق خاک میزان نگه‌داشت باکتری نیز افزایش یافت که احتمالاً به دلیل تجمع باکتری‌ها روی سطح ذرات خاک در عمق‌های پایین‌تر می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Cow Manure’s Particle Size on Bacterial Contamination Transport in Soil using Attachment-Detachment Model under Saturation Condition

نویسندگان [English]

  • Hamdolla Norouzi 1
  • Sayyed-Hassan Tabatabaei 2
  • Negar Nourmahnad 3
  • Hosein Shirani 4
1 M.Sc. Student, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
2 Associate Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
3 Assistant Professor, Department of Agriculture, Payame Noor University. Iran
4 Professor, Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Rafsanjan, Iran
چکیده [English]

Livestock manures are a source of pathogenic microorganisms that cause contamination of water surface and groundwater. The aim of this study was to simulate the effect of cow manure granulation on the transmission coefficients of Escherichia coli in a column of sand under saturated flow. Cow manure with particle sizes of 0.25, 0.5, 1 and 2 mm equivalent to 30 (ton/hec) in terms of dry weight was used. The effect of fertilizer treatments on the transmission of Escherichia coli in the soil was investigated by measuring the number of bacteria and chloride detector in the drainage water, up to 20 cm3 of pore volume. In order to determine chloride, Levenberg-Marquardt algorithm and nonlinear optimization were used, and to determine bacterial retention and transfer, a two-site kinetic Attachment-Detachment equation and inverse solution were used. The results showed that the bacterial transfer simulation was performed well for all fertilizer treatments by HYDRUS-1D using a two-site kinetic model (average of mean deviation and coefficient of determination was 0.056 and 0.905 respectively). The 0.25 mm treatment had the best agreement with the simulation results. The highest concentration of wastewater bacteria was obtained in the fertilizer treatment of 2 mm, which is due to the coarseness of fertilizer particles and faster and earlier removal of bacteria from its particles. The lowest attachment coefficient rate, was obtained in the fertilizer treatment of 2 mm (5.59*10-6 s-1) due to the release of more bacteria in this fertilizer treatment and as a result of increasing the rate of detachment coefficient (3.61*10-1 s-1). Also, with increasing soil depth, the amount of bacterial retention increased, which is probably due to the accumulation of bacteria on the surface of soil particles at lower depths.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Breakthrough curve
  • E-Coli
  • Filtration
  • HYDRUS-1D
  • Kinetic Model
اجلالی، ف. و دهقانی، م. 1392. آبیاری عمومی. انتشارات پیام نور. 226 صفحه.
احمدی‌مقدم، ز. و طباطبائی، س. ح. 1400. تعیین دقت دو مدل CDE و MIM با حل معکوس در انتقال آلودگی تری کلرواتیلن (TCE) در یک محیط متخلخل کربناته. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر 53(1):393-404.
احمدی‌مقدم، ز.، طباطبائی. س. ح. و ابراهیمی کهریز سنگی، ع. 1399. اثر هم‌زمان کم‌آبیاری و جریان ترجیحی بر نگهداشت باکتری ایشریشیاکولی در خاک. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 14(6):2203-2216.
اخوان، س.، ابراهیمی، س. نوابیان، م. مجتهدی، ع. شعبانپور، م. و موحدی نایینی، ع. 1398. بررسی شاخص‌های جذب و پالایش ترابری باکتری ای‌کولای در سیستم جریان ترجیحی. مجله مهندسی زراعی (علمی کشاورزی). 42(1):1-11.
سپهرنیا، ن. 1395. انتقال و جذب/نگهداشت باکتری ایشریشیاکولی (Escherichia coli) و ردوکوکوس اریتروپولیس (Rhodococcus erythropolis) در خاک‌های آبگریز و آبدوست. رساله دکتری خاکشناسی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی اصفهان.
عباسی تشنیزی، ف. کوچک زاده، ه. و عباسی، ف. 1395. مدلسازی انتقال باکتری فکال کلی فرم در آبیاری قطره‌ای سطحی در یک خاک لوم رسی. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی).30 (6): 1758-1772.
منیشداوی، م.، جعفرنژادی، ع. صیاد، غ. و شیرانی، ح. 1394. مدل‌سازی معکوس حرکت باکتری اشریشیاکولی در خاک بوسیله مدل  HYDRUS-1Dبا کاربرد معادله‌های تعادلی و غیرتعادلی حرکت املاح. علوم و مهندسی آبیاری. 38 (3): 105-115.
Akhavan, S., Ebrahimi, S., Mojtahedi, A., Navabian, M., Shabanpour, Ma. and Movahedi Naeini, A. 2019. Simulation of columnar transfer and retention of Escherichia coli bio-pollutant index in a saline saturated soil. International Journal of Engineering and Technology. 10(4):1067-1075.
David, K. P. and Mills, A. L. 2001. Transport of Escherichia coli in sand columns with constant and changing water contents. Journal of Environmental Quality. 30: 238-245.
Farrokhian Firouzi, A., Homaee, M., Klumpp, E., Kasteel, R. and Sattari, M. 2010. Bacteria transport and deposition in calcareous soil under unsaturated flow conditions. Journal of Water and soil. 24 (3): 439-452.
Gargiulo, G., Bradford, S., Šimunek, J., Ustohal, P., Vereecken, H. and Klumpp, E. 2007. Transport and deposition of metabolically active and stationary phase Deinococcus radiodurans in unsaturated porous media. Environmental Science and Technology. 41(4): 1265-1271.
Hassanizadeh, S. M. and Schijven, J. F. 2000. Use of bacteriophages as tracers for the study of removal of viruses. In: Dassargues, A. (Ed.), Tracers and modeling in hydrogeology. Proceedings of TRAM’2000 held in Liege, Belgium. 167– 174.
Jiang, G., Noonan, M. J., Buchan, G. D. and Smith, N. 2007. Transport of Escherichia coli through variably saturated sand columns and modeling approaches. Journal of Contaminant Hydrology. 93(1): 2-20.
Lindqvist, R., Cho, J. S., and Enfield, C. G. 1994. A kinetic model for cell density dependent bacterial transport in porous media. Water Resources Research, 30(12): 3291-3299
Mathess, G., Peckdegger, A. and Schroefer, J. 1988. Persistence and transport of bacteria and viruses in groundwater-a conceptual evaluation. Journal of Contaminant Hydrology. 2: 171-188.
Marquardt, D.W. 1963. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters. SIAM J. Applied Mathematics. 11:431-441.
Mosaddeghi, M. R., Sinegani, A. A., Farhangi, M. B., Mahboubi, A. A. and Unc, A. 2010. Saturated and unsaturated transport of cow manure-borne Escherichia coli through in situ clay loam lysimeters. Agriculture, Ecosystems and Environment. 137(1): 163-171.
Sepehrnia, N., Memarianfardb, L., Moosavi, A.A., Bachmanna, J., Rezanezhadd, F. and Sepehrie, M. 2018. Retention modes of manure-fecal coliforms in soil under saturated hydraulic condition. Journal of Environmental Management. 227: 209–215.
Sepehrnia, N., Tabatabaei, S. H., Norouzi, H., Gorakifard, M., Shirani, H. and Rezanezhad, F. 2021. Particle fractionation controls Escherichia coli release from solid manure. Heliyon. 7(5): e07038. ‏https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e07038
Šimunek, J., van Genuchten, M. T. and Šejna, M. 2008. Development and applications of the HYDRUS and STANMOD software packages and related codes. Vadose Zone Journal. 7(2): 587-600. ‏
Shein, E. V., Polyanskaya, L. and Devin, B. A. 2002. Transport of microorganisms in soils: physicochemical approach and mathematical modeling. Eurasian Soil Science. 35(5): 500-508.
Stevik, T. K., Aa, K., Ausland, G. and Hanssen, J. F. 2004. Retention and removal of pathogenic bacteria in wastewater percolating through porous media: a review. Water Research. 38(6): 1355-1367.
Tabatabaei, S.H., Nourmahnad, N., Golestani Kermani, S., Tabatabaei, S., Najafi, P. and Heidarpour, M. 2020. Urban wastewater reuse in agriculture for irrigation in arid and semi-arid regions - A review. International Journal of Recycling Oganic Waste in Agriculture. 9(2):193-220. https://dx.doi.org/10.30486/ijrowa.2020.671672.
Tabatabaei, S. H., Sepehrnia, N., Norouzi, H., Shirani, H., & Rezanezhad, F. 2022. Effects of solid manure particle fractionation on transport, retention, and release of Escherichia coli. Environmental Technology & Innovation. 25: 102086. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.102086
Toride, N., Leij, F. J. and Van Genuchten, M. T. 1999. The CXTFIT code for estimating transport parameters from laboratory or field tracer experiments version 2.1. Research Report, Vol. 137. U.S. Salinity Laboratory, Riverside, CA. Transport of solutes in soil. Geoderma. 46: 283-297.
Unc, A. and Goss, M.J. 2003. Movement of fecal bacteria through the vadose zone. Water Air Soil Pollution. 149: 327–337.
Warnemuende, E.A. and Kanwar, R.S. 2000. The effect of swine manure application on bacterial quality of leachate from intact soil columns. Transactions of the ASAE. 45(6): 1849