شبیه سازی رواناب آفت کش ها، اثرات Aldicarb

هنگامی که آفت کش ها در محصولات کشاورزی برای کنترل آفات استفاده می شوند، اثرات آنها بر محیط زیست حتی پس از رسیدن به هدف خود ادامه می یابد. آفت کش ها می توانند به خاک و منابع آبی که هم انسان و هم حیوانات به آن وابسته هستند نفوذ کرده و مواد شیمیایی مضر را به اکوسیستم اطراف پخش کنند. با گذشت زمان، مواد فعال آنها از طریق واکنش های مختلفی که پس از انتشار آنها رخ می دهد سم زدایی می شوند و در نهایت آنها را به محصولات بی ضرر تبدیل می کنند. بنابراین درک الگوهای رواناب آفت کش ها و تحرک آفت کش های مختلف قبل و بعد از تجزیه آنها برای اطمینان از ایمن بودن آنها برای استفاده مهم است. با شبیه سازی انتقال و واکنش آفت کش ها در خاک، می توان مدلی از این سیستم ساخت و مشخص کرد که آیا یک ماده شیمیایی هم برای انسان و هم برای محیط زیست بی خطر است یا خیر.

تخریب آفت کش ها: Aldicarb و محصولات پوسیدگی آن

آفت کش aldicarb به عنوان یک حشره کش برای کنترل جمعیت علفخواران حشرات در بسیاری از محصولات به ویژه پنبه استفاده می شود. هنگامی که آلدیکرب تجزیه می شود، ابتدا به مواد شیمیایی سمی آلدیرب سولفوکسید و آلدیرب سولفون تبدیل می شود و سپس با هیدرولیز سم زدایی می شود و اکسیم و نیتریل تشکیل می دهد. هنگام تعیین اینکه آیا یک ماده شیمیایی برای استفاده تجاری و خانگی ایمن است یا نه، سمیت آن با مقدار LD _{50 آن اندازه گیری می شود.} برای آلدیرب و آلدیرب سولفوکسید، سمیت LD ₅₀ = 0.9 میلی گرم بر کیلوگرم است. سمیت بسیار بالایی دارد، در حالی که آلدیرب سولفون دارای مقدار LD50 _است= 24 میلی گرم بر کیلوگرم؛ سمیت کمتر اما هنوز بالقوه مضر. با تنظیم یک مدل در COMSOL Multiphysics، می‌توانیم زمان تجزیه آلدیکرب را اندازه‌گیری کنیم و همچنین توزیع غلظت مکانی اجزای سمی آلدی‌رب، آلدی‌رب سولفوکسید و آلدی‌رب سولفون را در طول زمان اندازه‌گیری کنیم.

شبیه سازی رواناب آفت کش ها در خاک های متغیر اشباع شده با تخلخل های مختلف

بیایید فرض کنیم که می‌خواهیم رواناب آفت‌کش‌ها و الگوهای تخریب آلدیکرب را در حالی که به خاک نسبتاً خشک و اشباع‌شده نسبتاً خشک می‌شوید، درک کنیم. با نگاهی به مکانیسم واکنش تجزیه آفت کش، می توانیم سینتیک تجزیه و معادلات تعادل جرم را برای آلدیکرب و محصولات فروپاشی آن تعیین کنیم. با حل معادلات می توان مقیاس زمانی فرآیند تخریب را نیز تعیین کرد.

هنگام راه‌اندازی یک سیستم روان‌آب آفت‌کش، می‌توانیم تصور کنیم که آلدیکرب در حلقه‌ای از آب قرار دارد که روی زمین نشسته است. خاک زیر حلقه لایه لایه است و لایه بالایی آن کمی کمتر از لایه پایین نفوذ می کند. آب از حلقه عبور می کند و به خاک زیر می رود. به منظور سادگی، ما فقط به جریان آب از طریق پایه حلقه نگاه می کنیم و فرض می کنیم که هیچ جریانی از طریق دیواره های عمودی وجود ندارد. این سیستم با هندسه زیر شبیه سازی شده است:

هندسه حلقه و خاک در سیستم آفت کش.

در نمودار، حلقه نشان دهنده غلظت آلدیکرب و همچنین دو لایه نفوذپذیر خاک زیر را می بینید. در پایه هندسه بستری از سنگ ها قرار دارد که تقریباً در برابر آب غیرقابل نفوذ است. هنگامی که آلدیکرب به خاک اطراف شسته می شود، توسط فرارفت، پراکندگی، جذب و تبخیر منتقل می شود و از بالای هندسه و با غلظت ثابت به داخل خاک حرکت می کند. آلدیکرب در داخل خاک واکنش نشان می دهد و به ذرات خاک جذب می شود.

جذب، تجزیه و تبخیر سه املاح آلدیرب، سولفوکسید آلدیرب و آلدیرب سولفون به نسبت خطی غلظت های آبی انجام می شود. در ابتدا، خاک در سیستم بکر است، بدون هیچ اثری از رواناب آفت کش. با این حال، با گذشت زمان، آلدیکرب تخریب کننده به خاک رفته و گسترش می یابد. رابط معادله ریچاردز را می توان برای محاسبه جریان سیال استفاده کرد، در حالی که رابط انتقال املاح می تواند برای پیش بینی انتقال غلظت های محلول و آلاینده های جذب شده استفاده شود.

ما می توانیم غلظت آلدیکرب و محصولات پوسیدگی را که در خاک زیر حوضچه پس از یک دوره 100 روزه باقی می مانند، اندازه گیری کنیم. این نتایج بر اساس مکانیسم های واکنش و معادلات موازنه جرم است و در نمودار زیر نشان داده شده است:

غلظت گونه های سمی آلدیرب، آلدیرب سولفوکسید و آلدیرب سولفون در یک دوره 100 روزه.

همانطور که در نمودار مشاهده می شود، حتی پس از 100 روز هنوز غلظت قابل توجهی از مواد شیمیایی سمی در خاک وجود دارد. با استفاده از نتایج حاصل از تنظیم مدل وابسته به فضا و زمان، ما همچنین می‌توانیم تعیین کنیم که مواد شیمیایی پس از چند روز تا چه اندازه در خاک نفوذ می‌کنند.

ابتدا، این مدل جریان سیال را در خاک محاسبه می‌کند که در آن می‌توانیم تعیین کنیم که آب حاوی آفت‌کش پس از 0.3 و 1.0 روز چقدر مسافت را طی کرده است. شکل های زیر نتایج این شبیه سازی را نشان می دهد:

اشباع موثر (نقاط سطحی)، سر فشار (کانتورها) و سرعت جریان (فلش) در خاک اشباع متغیر پس از 0.3 روز (سمت چپ) و 1 روز (راست).

در مرحله بعد، بیایید به غلظت آلدیکرب و سولفوکسید آلدیکرب به همان اندازه سمی بعد از 1 روز و 10 روز نگاه کنیم. همانطور که میدان جریان سیال به عمق بیشتری در خاک ادامه می دهد، خاک بکر قبلی به دو ماده شیمیایی بسیار سمی آلوده می شود. در شکل زیر می توانید غلظت مواد شیمیایی را مشاهده کنید:

غلظت آلدیرب (بالا سمت چپ) و آلدیرب سولفوکسید (بالا سمت راست) پس از 1 روز (به طیف رنگ های متفاوت توجه کنید)، 5 روز (به ترتیب وسط سمت چپ و وسط راست)، پس از 10 روز (به ترتیب پایین سمت چپ و پایین سمت راست).

پس از 10 روز، غلظت آلدیکرب به یک حالت ثابت رسیده است و نسبت به منبع نسبتاً موضعی باقی می ماند. با این حال، سولفوکسید آلدیکرب پس از 10 روز به حالت ثابت نرسیده است و حجم بسیار بیشتری از خاک را در همان بازه زمانی پوشش داده است.

خطرات رواناب آلدیرب

آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) استفاده از آفت کش ها ، تخریب و سمیت آنها و اثرات آنها بر محیط زیست را هنگام بررسی اینکه آیا یک آفت کش برای استفاده بی خطر است یا خیر، ارزیابی می کند. Aldicarb در سال 1981 به عنوان یک آفت کش با استفاده محدود طبقه بندی شد و در سال 1984 EPA یک بررسی ویژه در مورد این ماده شیمیایی انجام داد. استفاده از آن در ارزیابی ریسک در سال 2010 مجدداً مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که aldicarb دیگر استانداردهای ایمنی مواد غذایی EPA را برآورده نمی کند و شروعی برای پایان دادن به استفاده از آن انجام شد. ممنوعیت آلدیکارب مستلزم آن بود که استفاده از این آفت کش در محصولات مرکبات و سیب زمینی تا سال 2012 متوقف شود و تا سال 2018 ممنوعیت کامل این ماده شیمیایی اعمال شود.

دانلود مدل

• مدل انتقال و واکنش آفت کش در خاک را می توانید از گالری مدل دانلود کنید