گرفتگی دریپر

نانوذرات برای حذف بیوفیلم‌ها

استفاده از پساب تصفیه‌شده در سیستم‌های آبیاری قطره‌ای منجر به ایجاد بیوفیلم و گرفتگی قطره‌چکان‌ها در طول زمان می‌شود. ناتان و همکارانش (2019) رویکرد جدیدی را برای درمان و محدود کردن بیوفیلم‌ها در قطره‌چکان‌های مسطح ارائه دادند. آن‌ها نانوذرات پلی‌متاکریل‌آمید پیوند-متقابل مشتق‌شده از N-هالامین را توسعه داده و در مواد پلی‌اتیلنی مورد استفاده در ساخت قطره‌چکان‌ها تعبیه کردند. نانوذرات با کلرزنی با هیپوکلریت سدیم (NaOCl) فعال شدند. این قطره‌چکان‌های نانوفعال در مزرعه آزمایش شدند و مشخص شد که حداقل برای مدت پنج ماه توانایی ضد رسوب عالی دارند. از آنجایی که نانوذرات قابل شارژ مجدد هستند، این رویکرد یک راه‌حل بادوام و مقرون‌به‌صرفه در برابر بیوفیلم هنگام استفاده از پساب تصفیه‌شده در سیستم‌های آبیاری قطره‌ای است.

الکترولیز برای درمان گرفتگی بیولوژیکی و شیمیایی

استفاده از پساب تصفیه‌شده یا آب بازیافتی در آبیاری قطره‌ای ممکن است باعث گرفتگی فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی در طول زمان شود. ژانگ و همکارانش (2017b) روش الکترولیز را برای استریل کردن گرفتگی بیولوژیکی و حذف سختی از قطره‌چکان‌های مسدود شده آزمایش کردند. یک واحد الکترولیز کم‌ولتاژ با آند تیتانیوم و کاتد فولاد ضد زنگ طراحی شد. الکترولیز با دو پیکربندی انجام شد: (1) ولتاژ متغیر (0.5، 2 و 4 ولت) برای 12 ساعت زمان عملیات ثابت، و (2) زمان عملیات متغیر (3، 6، 12، 24 و 48 ساعت) برای ولتاژ ثابت 4 ولت. سختی و تعداد باکتری‌های موجود در آب آبیاری قبل و بعد از تصفیه اندازه‌گیری شد. میزان حذف سختی و باکتری‌ها به ترتیب 23.93٪ و 66.85٪ در ولتاژ اعمال‌شده 4 ولت و زمان عملیات 48 ساعت بیشترین مقدار بود. این امر در زمان عملیات انباشته 160 ساعت به دست آمد. اما، فراتر از زمان عملیات انباشته 320 ساعت، کاهش قابل‌توجهی در نرخ استریلیزاسیون و حذف سختی وجود دارد. این مطالعه نشان داد که روش الکتروشیمیایی در حذف گرفتگی قطره‌چکان مؤثر است. با این حال، نیاز به بهبود استحکام و کارایی راکتور و انتخاب مواد آند وجود دارد.

روش‌های بیولوژیکی

بین سال‌های 2005 تا 2012، چندین محقق از ترکیه (بخش ژنتیک و مهندسی زیستی، دانشگاه یدی‌تپه و بخش سازه‌های کشاورزی و آبیاری، دانشکده کشاورزی، دانشگاه آتاتورک) کاربرد سویه‌های مختلف باکتریایی را برای درمان گرفتگی بیولوژیکی و شیمیایی در قطره‌چکان‌ها آزمایش کردند. ساهین و همکارانش (2005) برای اولین بار از سه سویه باکتریایی آنتاگونیست در جنس باسیلوس (ERZ، OSU-142) و بورخولدریا (OSU-7) برای درمان قطره‌چکان‌های آبیاری قطره‌ای متاثر از گرفتگی بیولوژیکی استفاده کردند. سویه‌های قارچی و باکتریایی جدا شده از نمونه‌های آب آبیاری در گلخانه‌های گوجه‌فرنگی در منطقه آناتولی شرقی ترکیه برای القای گرفتگی بیولوژیکی در سیستم‌های آبیاری قطره‌ای انتخاب‌شده استفاده شد. در مجموع 121 سویه باکتریایی و 25 قارچ در آزمایشگاه جداسازی و در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفت. بقیه ی توضیحات این بخش در منبع اصلی موجود است.

ار اوغلو و همکارانش (2012) عوامل کنترل بیولوژیکی را بر روی گرفتگی شیمیایی، به ویژه به دلیل CaCO3، اعمال کردند. گرفتگی شیمیایی ناشی از رسوبات CaCO3 برای آبی با CaCO3 محلول بیشتر نگران کننده است. pH بالاتر آب آبیاری شرایط مساعدی برای وقوع بارش است. بقیه ی توضیحات این بخش در منبع اصلی موجود است.

تشکیل بیوفیلم هنگام استفاده از آب بازیافتی یا پساب تصفیه شده در سیستم های آبیاری قطره ای یک مشکل اجتناب ناپذیر است. باکتری کش های شیمیایی برای درمان بیوفیلم ها در سیستم های قطره ای در بازار موجود است. با این حال، اثربخشی و اثرات زیست محیطی آنها به طور کامل مشخص نشده است. ون و همکارانش (2021) بیوفیلم را با کاربرد مکرر تلقیح Bacillus amyloliquefaciens (BAI)، یک سویه باکتریایی آنتاگونیست شناخته شده، درمان کردند. در این آزمایش آزمایشگاهی از سه نوع مختلف قطره چکان مسطح NPC و دو نوع آب بازیافتی استفاده شد. در مجموع از 9 لوله جانبی، هر کدام به طول 2 متر و دارای 6 قطره چکان، استفاده شد. سیستم روزانه 12 ساعت و به مدت 60 روز کار می کرد. BIA هر 10 روز یکبار به مدت 24 ساعت به قطره چکان ها تزریق می شد. تخلیه قطره چکان و یکنواختی انتشار در هر 60 ساعت از آزمایش تعیین شد. تجزیه و تحلیل نتایج این آزمایش نشان داد که کاربرد BIA از طریق سیستم آبیاری قطره ای میزان تخلیه قطره چکان را در مقایسه با گروه کنترل که با آب بازیافتی استفاده می شدند، 31.9 تا 44.3 درصد افزایش داد. همچنین یکنواختی انتشار 58.1 تا 67.1 درصد افزایش یافت. مشخص شد که درمان BIA دارای ویژگی های طیف گسترده ای است، زیرا این نتایج برای هر دو نوع آب ورودی و هر سه مدل قطره چکان استفاده شده مشاهده شد. بنابراین، گونه باکتریایی Bacillus amyloliquefaciens که به دلیل ویژگی های ارتقاء رشد گیاه شناخته شده است، یک جایگزین سازگار با محیط زیست امیدوارکننده برای درمان بیوفیلم های تشکیل شده در قطره چکان ها است.

بحث

تمامی روش‌های نوآورانه بررسی‌شده در مقیاس آزمایشگاهی یا از طریق آزمایش‌های میدانی محدود آزمایش شده‌اند. از آنجایی که این روش‌ها نوآورانه و جدید هستند، داده‌های تجربی زیادی که نشان‌دهنده طیف گسترده‌ای از کیفیت آب، نوع قطره‌چکان و شرایط عملیاتی آبیاری قطره‌ای باشند، وجود ندارد. بنابراین، اثربخشی روش‌ها برای داده‌های تجربی محدود داده‌شده قضاوت می‌شود. دوم، موفقیت یک فناوری جدید نباید تنها بر اساس نتایج تجربی قضاوت شود، بلکه بر اساس سهولت تکرار آن نیز قضاوت می‌شود. آبیاری قطره‌ای نوعی فناوری غیرمتمرکز است که توسط تعداد زیادی از کشاورزان با درجات مختلف سواد و درک تکنولوژیکی به کار گرفته و استفاده می‌شود. بنابراین، سهولت نصب، سهولت کار، سادگی تکنولوژیکی و تکرارپذیری از پارامترهای مهم موفقیت این روش‌های جدید است.

چهار مورد از پنج روش فیزیکی، یعنی مغناطیسی کردن، استفاده از حلقه MERUS، اعمال فشار ضربانی و تصفیه آب با اولتراسوند، شامل استفاده از دستگاه یا تجهیزات اضافی برای اجرای آنها می شود. استفاده از HRF همچنین شامل ساخت یک ساختار فیلتر اضافی و بستر شنی است. شستشوی لوله های جانبی در فشار بالاتر برای اجرای آن به یک پمپ با هد متغیر و یک مکانیسم تنظیم فشار نیاز دارد. شستشوی متناوب لوله های جانبی با آب شیرین، در حالی که از پساب تصفیه شده به عنوان آب آبیاری استفاده می شود، نسبتاً ساده تر است، جز اینکه نیاز به منبع آب شیرین دارد. روش اعمال فشار ضربانی نتایج امیدوارکننده ای را در درمان گرفتگی کامپوزیت در قطره چکان ها نشان داده است. با این حال، تکرارپذیری آن به در دسترس بودن یک دستگاه آماده برای استفاده برای ایجاد فشار ضربانی در سیستم های قطره ای موجود بستگی دارد. در مقایسه با سایر روش های فیزیکی، حلقه MERUS به دلیل در دسترس بودن در بازار، شایسته توجه است زیرا موثر و قابل تکرار است.

از بین سه روش شیمیایی بررسی شده، کاربرد نانوذرات کاملاً پیچیده است و توسط مقدار کمی داده تجربی پشتیبانی می شود. اگرچه روش الکتروشیمیایی بر اساس علم شناخته شده است، اما کاربرد آن در برابر مشکل گرفتگی قطره چکان جدید است. نتایج این روش از نظر استریل کردن میکروارگانیسم ها و حذف سختی در آب دلگرم کننده است. با این حال، این روش با زمان فرآیند طولانی تر، راندمان زیر بهینه راکتور و انتخاب محدود مواد آند محدود می شود. در مقابل، روش کوددهی با استفاده از انواع کودها، به دلیل کاربرد آن در درمان گرفتگی قطره چکان، به طور گسترده آزمایش شد. کاهش pH آب در حل کردن کود، ویژگی کلیدی است که کودهای مناسب برای درمان گرفتگی قطره چکان را مشخص می کند. کوددهی یک میوه کم آویز است که هنوز به طور کامل مورد بهره برداری قرار نگرفته است. این روش به طور گسترده توسط کشاورزانی که از سیستم های آبیاری قطره ای در بسیاری از کشورها استفاده می کنند، در درجه اول برای کاربرد یکنواخت و کارآمد کود برای گیاهان استفاده می شود. بنابراین، ظرفیت سازی کشاورزان در استفاده از کود مناسب و دوز آن، استفاده دوگانه آن را برای درمان گرفتگی قطره چکان تسهیل می کند.

مانند مورد کاربرد نانوذرات، یک فرآیند پیچیده در جمع آوری و کشت سویه های باکتریولوژیکی آنتاگونیست وجود دارد. اگرچه شواهد کنونی در مورد اثربخشی روش های بیولوژیکی محدود است، اما سویه های باکتریایی Bacillus نتایج امیدوارکننده ای داده اند. با این حال، نیاز به استانداردسازی فرآیندها وجود دارد که این روش را مقیاس پذیر می کند.

به طور کلی، سه روش، یعنی (1) شستشوی لوله های جانبی با آب شیرین، (2) استفاده از حلقه MERUS و (3) کوددهی، از نظر اثربخشی و تکرارپذیری در مقیاس بزرگتر برجسته هستند. اگرچه روش هایی مانند فشار ضربانی، تصفیه الکتروشیمیایی و استفاده از سویه های باکتریایی آنتاگونیست نتایج امیدوارکننده ای را در آزمایش ها داده اند، اما نیاز به بهینه سازی و استانداردسازی بیشتر برای انطباق گسترده تر وجود دارد. در همه روش ها، همچنین آشکار است که کیفیت آب منبع نقش مهمی در اثربخشی آنها در کاهش گرفتگی قطره چکان ایفا می کند. با این حال، در کارهای بررسی شده، اثربخشی روش های مختلف در رابطه با هندسه قطره چکان مورد بحث قرار نگرفت. نیاز به مطالعات بیشتر در این زمینه وجود دارد.

نتیجه‌گیری

اثربخشی روش‌های مرسوم، مانند فیلتراسیون، شستشوی لوله‌های جانبی، تصفیه اسیدی و کلرزنی، از قبل به خوبی ثابت شده است. با این حال، این روش‌ها همچنین از محدودیت‌هایی مانند نیاز به درمان‌های مکرر، هزینه بالای تهیه مواد شیمیایی و کمبود مهارت در بین کشاورزان رنج می‌برند. برخی از روش‌های جدید و نوآورانه مورد بحث و بررسی در این مطالعه امیدوارکننده هستند و به نظر می‌رسد بر این محدودیت‌ها غلبه می‌کنند.

روش‌های فیزیکی، مانند استفاده از سیستم فیلتراسیون مناسب، مغناطیسی کردن آب آبیاری و نصب حلقه MERUS، نیازی به سرمایه‌گذاری دوره‌ای ندارند. آنها همچنین به سرمایه گذاری کم یا بدون سرمایه گذاری برای نگهداری نیاز دارند. در بین تمام روش های فیزیکی، استفاده از حلقه MERUS، وارد کردن فشار ضربانی یا دینامیک و تصفیه اولتراسوند نتایج امیدوارکننده ای به همراه داشت. در بین آنها، یک حلقه MERUS از نظر قابلیت حمل، سهولت اجرا و هزینه ها نسبت به سایرین برتری دارد. تصفیه بیولوژیکی با سویه های باکتریایی Bacillus ظاهراً نتایج قابل توجهی در برابر گرفتگی بیولوژیکی و شیمیایی به همراه داشت. با این حال، استانداردسازی و دیدن آنها به عنوان محصول در بازارهای آزاد ممکن است زمان بیشتری ببرد. هزینه خرید چنین محلول های تصفیه باکتریایی نیز ممکن است مانع از گسترش سریع محبوبیت آنها شود. همین امر در مورد نانوذرات و روش های الکتروشیمیایی تحت تیمارهای شیمیایی صدق می کند. اثربخشی آنها باید از طریق آزمایش های بیشتر برای طیف وسیع تری از کیفیت آب و انواع قطره چکان ها مشخص شود. با این حال، روش کوددهی در مقایسه با سایر روش های شیمیایی به طور گسترده آزمایش شده است. استفاده از کوددهی در برابر گرفتگی دارای مزیت مضاعف نه تنها بهبود عملکرد هیدرولیکی سیستم قطره ای، بلکه کاربرد بهینه مواد مغذی گیاه است. اما، بسیاری از کودهای کوددهی نامناسب هستند، زیرا باعث افزایش قلیائیت در آب آبیاری می شوند و در نتیجه گرفتگی تشدید می شود. استفاده از UP در غلظت های کم به عنوان ماده شیمیایی کوددهی در کاهش مشکلات گرفتگی موثرترین است.