This dissertation contains the results of two different projects. The first one is a study of the transport of protozoa pathogens Cryptosporidium parvum and Encephalitozoon intestinalis in soils. The aim of this project was to investigate the movement and retention mechanisms of these microorganisms in natural porous media. The work determined that in the case of C. parvum, the retention was primarily produced by straining and in the case of E. intestinalis the main retention mechanism was attachment. The results of C. parvum lysimeter experiment compared to the results from the 7 cm column experiments suggest that retention is proportional to the length of the column. The second study evaluated the Polymerase Chain Reaction (PCR) as a tool to identify dechlorinating bacteria in groundwater contaminated with chloroethenes. The target DNA regions to identify these microorganism were the 16s rDNA specific for dehalococcoides sp. and Desulfuromonas and DNA sequences coding for the reductive dehalogenase enzymes pceA, tceA, bvcA and vcrA. Bacteria able to transform PCE into DCE were detected in all groundwater samples. Bacteria able to transform VC into ethene were found only in one of the samples. This study shows that PCR analysis of 16s rDNA and reductive dehalogenase gene sequences together with microcosm results are useful tools to analyze the populations of reductive dechlorinators and their activity in a given site.

>Magister Scientiae - MSc / Extreme weather events in combination with geographical changes in groundwater utilization, groundwater availability, aquifer recharge, and ultimately changes in the quality of water resources, are expected in the future. As a consequence of changing weather patterns and urbanization the demand for groundwater is likely to increase in certain areas. We know that most waterborne pathogenic health epidemics are associated with contamination of farm water and wastewater. There is however limited understanding of the nature and extent of chemical, physical and biological processes that control the fate and transport of the microorganisms in primary and secondary aquifers. In this thesis, transport results are reported, where E. coli and PDR1 were selected as the biological tracers transported through a primary aquifer at the University of the Western Cape. In conjunction with the microbes salt and Rhodamine (chemical tracers) were injected to compare their fate and transport mechanism in the primary aquifer medium. A series of controlled Darcy experiments under laboratory and field conditions were conducted. Each provided a different data and information. The results from laboratory studies were used to improve design of the field studies. In both cases, the data collected provided information on fate and transport of microbes in groundwater. The field design phase of the experiment was an up-scaling of the laboratory phase of this project. The amount of chemical tracers injected into the aquifer was increased in proportion to the size of the research site. Tracer tests using chemical and microbial tracers were conducted simultaneously. Results of laboratory tests demonstrate a 5 times slower transport of microbes, compared to tests with salts during the laboratory phase. The salts at field scale show a breakthrough occurring after 2 days whereas the microbes –did not break through during the 28 days of the observation period. A new borehole was drilled closer to the pumping borehole to eliminate distance or travel time, but this had no effect on field results for the microbes. / National Research Foundation

Τα υπόγεια νερά μπορούν να μολυνθούν με παθογόνα βιοκολλοειδή (ιοί, βακτήρια και πρωτόζωα) από νερό κοπρανώδους μόλυνσης, π.χ. από σηπτικές δεξαμενές ή αποχετευτικούς σωλήνες που εμφανίζουν διαρροή. Το επιφανειακό νερό μολύνεται με παθογόνους μικροοργανισμούς, που οφείλονται κυρίως στη διάθεση υγρών αποβλήτων και στην απορροή λιπασμάτων από τα γεωργικά εδάφη. Αυτά τα παθογόνα μπορούν να προκαλέσουν ένα εύρος γαστροεντερικών και άλλων σοβαρών ασθενειών. Τα υπόγεια και επιφανειακά νερά μπορούν να προστατευθούν από τη μόλυνση με παθογόνους μικροοργανισμούς μέσω των λύσεων που προσφέρει η εφαρμοσμένη μηχανική. Οι κατάλληλες στρατηγικές για την επίτευξη ασφαλούς πόσιμου νερού στηρίζονται στη γνώση των πιθανών διαδικασιών και συνθηκών μεταφοράς των παθογόνων βιοκολλοειδών. Για το σκοπό αυτό και λόγω μερικών περιορισμών, όπως η περιορισμένη ευαισθησία μεθόδων μέτρησης παθογόνων ιών και βακτηρίων, είναι λογικό να χρησιμοποιηθούν υποκατάστατα. Συγκεκριμένα, στη παρούσα Διδακτορική Διατριβή, οι βακτηριοφάγοι χρησιμοποιούνται ως υποκατάστατα για τους παθογόνους ιούς. Η μετακίνηση κολλοειδών στα πορώδη μέσα είναι επίσης ανησυχητική λόγω της διευκολυμένης από το κολλοειδές μεταφοράς των παθογόνων ιών που προσροφούνται πάνω σε αυτά τα σωματίδια και μετακινούνται σε μεγάλες αποστάσεις. Ειδικότερα, η εστίαση αυτής της έρευνας είναι στη μεταφορά των βιοκολλοειδών (βακτηριοφάγων και βακτηρίων) και των παραγόντων που επιδρούν σε αυτή μέσω των κορεσμένων πορωδών μέσων. Αρχικά ένα εύρος στατικών και δυναμικών πειραμάτων πραγματοποιήθηκε σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες (4 και 25 °C) για να ερευνηθεί η επίδραση της θερμοκρασίας και της ανάδευσης στην προσρόφηση των ιών (βακτηριοφάγων) πάνω στις αργίλους οι οποίες βρίσκονται συχνά στα φυσικά νερά και τα υγρά απόβλητα. Κατάλληλες ισόθερμες προσρόφησης προσδιορίστηκαν. Τα ηλεκτροκινητικά χαρακτηριστικά των βακτηριοφάγων και των αργίλων ποσοτικοποιήθηκαν για διαφορετικό pH και ιοντική ισχύ (IS). Επιπλέον, οι ενέργειες αλληλεπίδρασης μεταξύ των ιών και των αργίλων υπολογίστηκαν για τις πειραματικές συνθήκες αλλά και για διαφορετικές φυσικοχημικές συνθήκες με την εφαρμογή της θεωρίας DLVO. Στη συνέχεια εξετάστηκε η μεταφορά τριών υδατογενών μικροοργανισμών (Escherichia coli, MS2, και ΦX174), δεικτών κοπρανώδους μόλυνσης, σε εργαστηριακές x στήλες με πληρωτικό υλικό καθαρή χαλαζιακή άμμο. Εξετάστηκαν τρία διαφορετικά μεγέθη κόκκων και τρείς ενδοπορώδεις ταχύτητες. Η συμπεριφορά σύνδεσης των Escherichia coli, MS2, και ΦX174 πάνω στην άμμο αναλύθηκε περαιτέρω. Ο συνολικός συντελεστής σύλληψης η0 και ο συντελεστής απόδοσης συγκρούσεων α, υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας την κλασσική θεωρία διήθησης κολλοειδών (CFT). Επίσης διερευνήθηκε η αλληλεπίδραση των ιών (βακτηριοφάγων MS2 και ΦX174) με τα κολλοειδή αργίλων (καολινίτη KGa-1b και μοντμοριλλονίτη STx-1b) σε πειράματα προσκόλλησης διαλείποντος έργου αλλά και κατά την ταυτόχρονη μεταφορά τους σε κορεσμένες στήλες με πληρωτικό υλικό σφαιρίδια γυαλιού. Επιπλέον εξετάστηκε η επίδραση τριών ενδοπορωδών ταχυτήτων U στη μεταφορά των ιών, όπως επίσης και στη συμμεταφορά τους με τα κολλοειδή αργίλων. Εκτεταμένοι-DLVO υπολογισμοί της ενέργειας αλληλεπίδρασης εξηγούν ότι η προσκόλληση των ιών στα κολλοειδή αργίλων κατά κύριο λόγο προκαλείται από υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Η παρουσία κολλοειδών είχε σημαντική επίδραση στην κατάσταση και το μέγεθος της μη αναστρέψιμης απόθεσης των ιών στα σφαιρίδια γυαλιού στις συνθήκες που ερευνήθηκαν. Η θεωρία DLVO και η υδροδυναμική εφαρμόστηκε στα πειραματικά δεδομένα σε μια προσπάθεια ποσοτικής περιγραφής των συνθηκών που απαιτούνται για την έναρξη της αποκόλλησης των κολλοειδών από τα πορώδη μέσα (διαφορετικούς συλλέκτες) κάτω από διαφορετικές φυσικοχημικές συνθήκες (ταχύτητα και ιοντική ισχύ). Τέλος, πειράματα σε κατακόρυφα και διαγώνια τοποθετημένες στήλες με πληρωτικό υλικό σφαιρίδια γυαλιού πραγματοποιήθηκαν για τη μεταφορά και συγκράτηση ιών και κολλοειδών αργίλων αλλά και τη συμμεταφορά αυτών με την κατεύθυνση της ροής προσανατολισμένη ενάντια στη βαρύτητα (προς τα πάνω) αλλά και με κατεύθυνση ροής προς την ίδια κατεύθυνση με τη βαρύτητα (προς τα κάτω). Προβλέψεις των μοντέλων μοναδιαίων κελιών διαφορετικής γεωμετρίας συγκρίθηκαν με τα πειραματικά αποτελέσματα. / Groundwater may be accidentally contaminated with infective human enteric viruses from human and animal sewage through wastewater discharges, sanitary landfills, septic tanks, and agricultural practices or by artificial groundwater recharge, which is often used to reverse the rapid depletion of aquifers. To predict the presence of pathogens in water and wastewater, microorganisms known as indicator organisms-biocolloids (e.g. bacteria Escherichia coli, and coliphages MS2 and ΦX174), which are commonly associated with fecal contamination, are monitored. We examined the interaction of microorganisms with soil, sand, gravel or other model granular materials have been conducted using laboratory-scale columns under well-controlled environmental conditions. Theoretical and experimental studies have examined the effect of pore water solution chemistry, fluid velocity, matrix structure, moisture content, temperature, grain size, and presence of surface coatings on microbial transport and retention in porous media. Quartz sand, either clean or coated, as well as glass beads have all been employed as model granular materials in such studies. Some researchers have also investigated the transport of microorganisms through columns packed with excavated soils or undisturbed soil cores, and provided valuable information regarding the influence of soil chemistry and matrix structure on microbial transport and retention.

abstract: This study was designed to provide insight into microbial transport kinetics which might be applied to bioremediation technology development and prevention of groundwater susceptibility to pathogen contamination. Several pilot-scale experiments were conducted in a saturated, 2 dimensional, packed porous media tank to investigate the transport of Escherichia coli bacteria, P22 bacteriophage, and a visual tracer and draw comparisons and/or conclusions. A constructed tank was packed with an approximate 3,700 cubic inches (in3) of a fine grained, homogeneous, chemically inert sand which allowed for a controlled system. Sampling ports were located at 5, 15, 25, and 25 vertical inches from the base of the 39 inch saturated zone and were used to assess the transport of the selected microorganisms. Approximately 105 cells of E. coli or P22 were injected into the tank and allowed to move through the media at approximately 10.02 inches per day. Samples were collected intermittently after injection based off of an estimated sampling schedule established from the visual tracer. The results suggest that bacteriophages pass through soil faster and with greater recovery than bacteria. P22 in the tank reservoir experienced approximately 1 log reduction after 36 hours. After 85 hours, P22 was still detected in the reservoir after experiencing a 2 log reduction from the start of the experiment. E. coli either did not reach the outlet or died before sampling, while P22 was able to be recovered. Bacterial breakthrough curves were produced for the microbial indicators and illustrate the peak concentrations found for each sampling port. For E. coli, concentrations at the 5 inch port peaked at a maximum of 5170 CFU/mL, and eventually at the 25 inch port at a maximum of 90 CFU/mL. It is presumed that E. coli might have experienced significant filtration, straining and attachment, while P22 might have experienced little adsorption and instead was transported rapidly in long distances and was able to survive for the duration of the experiment. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Civil, Environmental and Sustainable Engineering 2017