Cuando las bacterias y los virus entran en el agua de un pozo y enferman a las personas, a menudo, la contaminación se produce después de fuertes lluvias o inundaciones. En 2000, Más de 2, 300 personas en Walkerton, Ontario, se enfermó cuando, después de lluvias inusualmente fuertes. E. coli las bacterias encontraron su camino hacia los pozos de agua potable. Siete personas murieron.

La razón parece sencilla:el agua subterránea adicional arrastra las bacterias hacia los pozos. Pero a nivel microscópico, el tema es más complicado y misterioso. El geocientífico de la Universidad de Utah William Johnson estudia cómo los contaminantes, incluidas las bacterias y los virus, se mueven a través del agua subterránea. Después de años de trabajar en este problema, Johnson ha encontrado una respuesta que podría ayudar a los administradores del agua a prepararse mejor y responder a los brotes causados ​​por la lluvia y las inundaciones.

La respuesta tiene que ver con la química, física ... y un poco de nanociencia decorativa.

Johnson y sus colegas de la Universidad de Columbia y de Ecuador publicaron hoy su trabajo en Ciencia y tecnología ambiental y fueron apoyados por la National Science Foundation.

Moléculas, partículas y coloides

Los científicos del agua subterránea saben que para predecir qué tan lejos o qué tan rápido se moverá un contaminante, primero tienen que entender qué tan bien se adhiere ese contaminante a los granos de sedimento a lo largo del camino. Muchos contaminantes, como nitrato o arsénico, son pequeñas moléculas compuestas por unos pocos átomos cada una. Pero las partículas suspendidas (llamadas coloides), incluidos los virus, las bacterias y los protozoos son miles o millones de veces más grandes que las moléculas. La diferencia de tamaño hace que las moléculas y los coloides respondan de manera diferente a las fuerzas que los rodean. de la misma manera en que los mosquitos y los dirigibles difieren en lo azarosos que son sus movimientos y en su capacidad para esconderse del viento. Las fuerzas reales en juego entre los contaminantes y las superficies de los sedimentos están relacionadas con las fuerzas electrostáticas entre los globos y el cabello y las fuerzas de van der Waals que mantienen a los geckos en los techos. que son mucho más fuertes para los coloides que las moléculas. Aunque los científicos tienen una buena idea sobre cómo se mueven los contaminantes del tamaño de una molécula a través del agua subterránea, el comportamiento de los coloides es más difícil de precisar debido a la diferencia de tamaño.

Debido a que los coloides grandes tienen un movimiento aleatorio limitado, su probabilidad de golpear las superficies de los granos de sedimento en el agua subterránea es realmente predecible, de manera similar a predecir la trayectoria de los nadadores expulsados ​​de una balsa en un rápido arroyo lleno de rocas. Algunos coloides flotan mientras que otros, los que se encuentran en un curso que se dirige directamente a una roca, probablemente interceptará la roca.

Pero interceptar la roca es la mitad del truco de salir del agua, ya que después de encontrar un lugar de aterrizaje, un nadador (o coloide) tiene que "pegar el aterrizaje". Si el coloide y el sedimento tienen cargas eléctricas opuestas, los coloides se pegan cuando golpean la superficie, y sus concentraciones en el agua subterránea son predecibles ya que disminuyen exponencialmente con la distancia a la fuente de contaminación.

Pero en el medio ambiente las condiciones suelen ser desfavorables para el apego. Ambas superficies tienden a tener carga negativa y se repelen entre sí. Bajo estas condiciones, Johnson dice, las concentraciones de coloides tienen relaciones confusas con las distancias desde su fuente que tienen, hasta ahora, hizo casi imposible la predicción de las distancias de transporte.

Cuando se utilizan mediciones convencionales de las propiedades de la superficie en la teoría de unión coloidal existente, "la teoría juzga que nadie se pega al rellano, Johnson dice:"Nada debería adherirse nunca en condiciones ambientales".

Pero las partículas se adhieren. El sedimento puede ser un filtro eficaz, como lo demuestran muchos experimentos de laboratorio y de campo durante las últimas décadas. Por ejemplo, Johnson y sus estudiantes han realizado experimentos en Ecuador donde han demostrado que la excavación de canales adyacentes a los ríos afectados por la minería hace que el agua fluya a través del banco de grava, que elimina hasta el 95 por ciento del mercurio.

La eliminación de coloides de ingeniería también podría ayudar a proteger otros recursos hídricos, pero tal ingeniería requerirá una predicción precisa de si ocurrirá "mantener el aterrizaje". Entonces, ¿Qué hace que algunas cosas se adhieran a los sedimentos (metales pesados ​​en Ecuador) pero otras no (bacterias después de fuertes lluvias)? Aquí es donde entra en juego la nanociencia decorativa.

Nanociencia decorativa

Durante más de dos décadas, researchers knew that colloid attachment theory was imperfect because the theory treated both the colloid and the surface as a bulk substance, with the same properties all over. A nanoescala, aunque, there's tremendous variation across the surfaces, both in shape and in chemistry. About 10 years ago, researchers at the University of Massachusetts developed a simpler way to represent areas of varying properties on surfaces as akin to decorations on an Easter egg or patches of color on an impressionist painting.

Johnson, his graduate students and colleagues took the concept farther starting in 2014 to try to match this "decorative" theory to experiments of colloids moving through sediments. Colloids and surfaces, according to the decorative theory, interact over a limited zone of interaction that expands with increased colloid size and expands with decreased ionic strength—the concentration of dissolved ions in the water.

Sticking the landing depends on whether attractive surface domains fill the majority of the zone of interaction, making the interaction net attractive. Amid the balance of attractive decoration size, colloid size, ionic strength and water velocity, the new theory shows how colloids can stick. By varying colloid size, ionic strength and water velocity, Johnson's group found a representation of the "decorations" that explains colloid attachment under environmental conditions.

But other phenomena also emerged from simulations that now incorporated "decorated" sediments—phenomena that he and colleagues explored in their new paper. Some colloids attach rapidly and some attach slowly as they sniff around for spots on sediments onto which they can stick their landing, Johnson's simulations show. They also show a range of "residence times" for colloids as they hang around a sediment surface.

"When you stick these residence times into simple relationships for upscaling to predict transport at larger distances, " Johnson says, "out come the previously unpredictable relationships for colloid concentration as a function of transport distance. Now we can finally predict them."

Notablemente, a potential explanation of the relationship between heavy rainfall and disease outbreak in groundwater also emerges from the simulations. Groundwater naturally has a higher ionic strength than fresh rain water due to underground water-rock chemistry. But during heavy rain, groundwater can shift to lower ionic strength. The zone of colloid-surface interaction expands, which can flip the overall interaction from attractive to repulsive. "You reduce the ionic strength like you would in heavy rainfall, " Johnson says. "The zone of interaction expands beyond the attractive nanoscale "decoration", the interaction flips from net attractive to net repulsive, and off the thing pops." Now, Johnson says, water managers have more tools to prevent disease outbreaks like the one in Ontario. Por ejemplo, "we had no transport equations to guide how far you should put a septic system from a drinking water well, " Johnson says. Environmental professionals sometimes add particles of carbon or iron to groundwater to enhance cleanup of contamination. "They have had no practical design guidance because the theory has failed until recently, " Johnson adds. "We now have predictive tools to optimize the fluid velocity to deliver iron or carbon particles to their target."

Johnson is excited to see the convergence of theory and experimental evidence in this paper, advancing a field that he has been working in for years. "We've backed out a characteristic that is likely representative. Things that we observe at larger scales emerge from representing phenomena at the nano to pore scale, "he says. "To me, that's really satisfying."