Vid ytavrinning från betesmarker är det stor risk att patogener transporteras till mottagande vatten vilket kan orsaka stora risker för både människor och djur. Det finns i dagsläget få metoder tillgängliga för att kunna kvantifiera mängden patogener som kan transporteras ut i vattentäkter och badplatser från jordbruksmark. Därför är det av stor vikt att förstå dessa transportmekanismer. Cryptosporidium är en parasit som är särskilt intressant vid avrinning från jordbruks- och betesmark eftersom vissa genotyper är zoonotisk (t.ex. C. parvum) och även orsakat många och allvarliga vattenburna utbrott. I den här amerikanska studien har ett försök att ta fram en beräkningsmodell för oocystor från Cryptosporidium gjorts vilket baserat på intressanta experimentella försök av avrinning i en pilotskalemodell av åkermark. Försöken gjordes för två olika jordarter, två olika odlingsförhållanden, två olika nederbördsintensiteter och tre olika marklutningar.
Av: Thomas Pettersson
I denna studie har fysiska experiment av transport av Cryptosporidium parvum på mark med och utan vegetation genomförts med hjälp av en tippbar jordbassäng, som var utformad så att man kan mäta flöden och analysera vatten från både jordytan och i jordlagren. Baserat på experimentella resultat har en beräkningsmodell för oocystor från Cryptosporidium utvecklats och validerats. De experimentella resultaten visar på vikten av att vegetationsremsor, som ofta anläggs för att skydda vattentäkter från avrinning av olika föroreningar från jordbruksmark, utformas med optimal marklutning för att erhålla en effektiv avskiljning av oocystor vid olika nederbördsintensiteter.
Bakgrund och metodik
Jordbruk med kött- och mjölkproduktion är potentiella mikrobiologiska föroreningskällor för dricksvattenförsörjning. Infekterade människor och djur kan bära på upp till 10 miljarder (1010) oocystor av Cryptosporidium per gram fekalier. Medeldosen för att infektera en människa är 132 oocystor (<30 oocystor för vissa isolerade genotyper) varför endast ett fåtal infekterade djur är tillräckligt för att kontaminera en hel ytvattentäkt. Cryptosporidium är dessutom nästan helt resistent mot normal klorering, vilket i många fall är det enda desinficeringssteget i vanliga ytvattenverk. Trots att det gjorts en del försök på avdödning av Cryptosporidium så saknas det fortfarande hydrologiska modeller, liksom fält- och experimentella mätningar och analyser, för att bättre förstå transporten av oocystor i avrinningsområden. Syftet med studien var att utveckla en fysikalisk transportmodell för Cryptosporidium parvum vid ytavrinning och transport i marklager nära markytan, vilken valideras med hjälp av experimentella försök och mätningar. Resultaten skall ge vägledning i hur man på effektivast sätt kan utforma vegetativa kantzoner kring brukad åkermark.
Experimenten genomfördes med hjälp av en tippbar jordbassäng som var utformad så att man kan mäta flöden både på jordytan och i jordlagren. Bassängen, som har ytmåtten 3,6 ∙ 1,5 m2 och är 0,3 m djup, fylldes med jord och delades på mitten av en skiljevägg vilket bildar två identiska fack (3,6 ∙ 0,75 m2) där det i den ena planterades lostafrön (16 kg/ha) och i den andra bestod av enbart jord. Experimenten utfördes med tre olika lutningar (1,5; 3,0 och 4,5%) samt med två olika jordarter (”Newberry-” och ”Catlin-jord”). Nederbörd om 2,54 och 6,35 mm/h simulerades under 40 min vilket motsvarar ett 1-årsregn respektive ett 10-årsregn i Illinois. Oocystor tillsattes i båda facken strax innan det simulerade regnet startade. Anordningar iordningställdes i den nedre delen av försöksbassängen så att mängden vatten som transporterats via ytavrinning respektive transport i marklagret kunde mätas, liksom prover kunde tas i de båda flödena för analys av oocystor.
Även ett fysiskt modelleringsverktyg tas fram i denna artikel, men funktionen av denna och resultaten är inte lika intressanta som det fysiska pilotförsöken med patogenanalyserar varför denna bara nämns översiktligt.
Resultat
Generellt var ytavrinningen (flödet) större från mark utan vegetation jämfört med vegetation vilket gällde för alla marklutningar, nederbördsintensiteter och jordarter, vilket som förväntat visar att vegetationen kraftigt fördröjer ytavrinningen och istället ökar infiltrationen och följaktligen flödet i marklagren. Cryptosporidium parvum detekterades både i flöden från ytavrinning och i marklagren för båda fallen, det med vegetation och det utan vegetation, för samtliga tre lutningar och olika regnintensiteter (med undantag för markflöden i fallet utan vegetation och den högre regnintensiteten). Avskiljningen av Cryptosporidium parvum var högre för mark med vegetation.
Vid den lägre regnintensiteten (2,54 mm/h) sker en större reduktion av Cryptosporidium då marklutning är kraftig (>4,5%), både för mark med vegetation och utan. Avskiljning vid den högre regnintensiteten (6,35 mm/h) uppvisar istället minskad reduktion vid ökad marklutningen, vilket förklaras av att den höga vattenhastigheten i markflödet och regndropparnas intensitet förhindrar att oocystorna kan fästa på små sedimenterande jordpartiklar. Vidare förklaras det senare av att tiden för infiltration också minskar med ökad nederbördsintensitet och möjligheten för oocystor att fastna på grässtrån.
Den fysiska modellen för transport av oocystor visar en god överrensstämmelse med resultaten från experimenten, vilka använts för validering.
Diskussion och slutsatser
Som väntat sker en större reduktion av Cryptosporidium parvum på mark med vegetation än utan varför det är kan vara en effektiv åtgärd att anlägga remsor med tätare gräsvegetation vid jordbruksmark som ligger intill vattentäkter. Vid höga nederbördsintensiteter, vid exempelvis ett 10-årsregn, blir reduktionen av oocystor sämre ju brantare marken lutar ner mot en vattentäkt varför det är viktigt att vegetationsremsor inte görs för branta (<4,5%) utan hålls relativt flacka. Studien visar att vegetationsremsorna inte skall göras för flacka eftersom reduktionen av oocystor vid lägre regnintensiteter (<1-årsregn) minskar markant vid flacka (<1,5%) vegetationsremsor. Studien visar att fysiskt baserade transportmodeller kan vara effektiva för att optimera vilken typ av åtgärder som är mest effektiva.
Källa: Bhattarai, R., Kalita, P., Trask, J., Kuhlenschmidt, M. S. (2011). Development of a physically-based model for transport of Cryptosporidium parvum in overland flow. Environmental Modelling & Software, 26, p.1289-1207.
Hela artikeln i Environmental Modelling & Software finns att köpa här.
Adresser:
Dept. of Agricultural and Biological Engineering, Dept. of Pathobiology, University of Illinois at Urbana Champaign, 1304 W Pennsylvania Avenue, Urbana, IL 05857EAA-D83C-4204-8936-4F91D427794C, USA.
Kontakt: rbhatta2@illinois.edu (R. Bhattarai), pkalita@illinois.edu (P. Kalita)
