Virus transport in soil systems

Understanding and predictive tools of virus and bacteria transport in porous media are useful in order to asses and prevent the contamination risk, especially in the aquifer, by these pathogens. Even just an acute exposure can result in disease outbreaks in the exposed population; due to their small size, their ability to survive for long periods in environmental conditions and their high infectivity, virus are responsible of recurrent outbreaks in the populations consuming contaminated water; therefore it is important to understand the processes that reduce the virus concentrations during the transport through the porous media. Typically, virus are subjected to processes that can lead to their inactivation, they can be strained and also be reversibly or irreversibly adsorbed onto the solid surface, contrasting the well-known classical conservative solute transport: the colloid and virus transport theory is encompassed in the DLVO ("Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek") and CFT ("Colloid Filtration Theory"). This work introduces a new mathematical 1-D model for the virus transport, which includes a combination of processes that affect virus behaviour in porous media never considered before; using PFLOTRAN as computational tool and the PSO algorithm as instrument for the calibration of the mathematical model parameters, a sand column experiment is simulated; the experiment consisted in two main steps: the bacteriophage MS2 introduction and the subsequent deionized water injection in the column, in order to change the chemical conditions inside the column and therefore release some of the entrapped viruses. The frequency distributions of the model parameters are than produced, using the PSO algorithm for the calibration, through 150 iterations with 3 different fitting objective functions: in the end, through the analysis of the resulted frequency distributions plots of the model parameters, new hypothesis and possible future improvements for the model are discussed.

Comprendere e saper predire il trasporto di virus e batteri nei mezzi porosi e in particolare nelle falde acquifere è necessario per stabilire, e nel caso prevenire, il pericolo di contaminazione da parte di questi agenti patogeni. Anche solo un'esposizione acuta a questi agenti può causare problemi di salute nell'uomo; a causa delle loro piccole dimensioni, della loro capacità di sopravvivenza per lunghi periodi in condizioni ambientali e proprio per la loro alta infettività, i virus sono causa di frequenti focolai nelle popolazioni che vengono a contatto con acqua contaminata; per questo è importante comprendere i processi che, durante il trasporto, ne riducono la concentrazione. Tipicamente i virus possono andare incontro ad inattivazione, filtraggio, cattura reversibile e irreversibile da parte del suolo stesso, differenziandosi così dal tipico trasporto conservativo dei soluti; queste caratteristiche sono incorporate nelle teorie DLVO ("Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek") e CFT ("Colloid Filtration Theory"). Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo l'introduzione di un nuovo modello matematico monodimensionale per il trasporto di virus, il quale include una combinazione di processi mai considerata prima e, attraverso l'ausilio di PFLOTRAN come strumento di calcolo e del PSO come strumento di calibrazione dei parametri, il modello viene poi utilizzato per simulare un esperimento eseguito in una colonna di sabbia formato da due steps principali: l'iniezione nella colonna del virus MS2 e la successiva introduzione di acqua deionizzata, al fine di modificare le condizioni chimiche all'interno della colonna stessa e liberare così parte dei virus intrappolati nella sabbia stessa. Vengono così create distribuzioni di frequenza dei parametri del modello attraverso 150 iterazioni del PSO, usando 3 differenti funzioni obiettivo; infine, attraverso l'analisi di distribuzione di frequenza di alcuni dei parametri calibrati, vengono sviluppate nuove ipotesi e possibili miglioramenti per sviluppi futuri del modello.