Als bacteriën en virussen in bronwater komen en mensen ziek maken, vaak komt de besmetting na hevige regen of overstromingen. In 2000, meer dan 2, 300 mensen in Walkerton, Ontario, ziek geworden toen, na ongewoon zware regenval. E coli bacteriën vonden hun weg naar drinkwaterbronnen. Zeven mensen stierven.

De reden lijkt eenvoudig:het extra grondwater veegt de bacteriën naar de putten. Maar op microscopisch niveau het probleem is ingewikkelder en mysterieuzer. De geowetenschapper van de Universiteit van Utah, William Johnson, bestudeert hoe verontreinigingen, waaronder bacteriën en virussen, zich door het grondwater verplaatsen. Na jaren aan dit probleem te hebben gewerkt, Johnson heeft een antwoord gevonden dat waterbeheerders kan helpen zich beter voor te bereiden op en te reageren op uitbraken veroorzaakt door regen en overstromingen.

Het antwoord omvat chemie, natuurkunde... en een beetje decoratieve nanowetenschap.

Johnson en zijn collega's van Columbia University en Ecuador publiceerden hun werk vandaag in Milieuwetenschap en -technologie en werden ondersteund door de National Science Foundation.

Moleculen, deeltjes en colloïden

Grondwaterwetenschappers weten dat om te voorspellen hoe ver of hoe snel een verontreiniging zich zal verplaatsen, ze moeten eerst begrijpen hoe goed die verontreiniging onderweg aan sedimentkorrels blijft kleven. Veel verontreinigingen, zoals nitraat of arseen, zijn kleine moleculen die elk uit slechts een paar atomen bestaan. Maar zwevende deeltjes (colloïden genaamd) inclusief virussen, bacteriën en protozoa zijn duizenden tot miljoenen keren groter dan moleculen. Het verschil in grootte zorgt ervoor dat moleculen en colloïden anders reageren op de krachten om hen heen, op dezelfde manier waarop muggen en luchtballonnen verschillen in hoe lukraak hun bewegingen zijn en in hun vermogen om zich voor de wind te verbergen. De werkelijke krachten die spelen tussen verontreinigingen en sedimentoppervlakken houden verband met de elektrostatische krachten tussen ballonnen en haar en de van der Waals-krachten die gekko's op plafonds houden, die veel sterker zijn voor colloïden dan moleculen. Hoewel wetenschappers een goed idee hebben over hoe verontreinigingen ter grootte van een molecuul door het grondwater bewegen, het gedrag van colloïden is moeilijker vast te stellen vanwege het verschil in grootte.

Omdat grote colloïden een beperkte willekeurige beweging hebben, hun kans om sedimentkorrels in het grondwater te raken is eigenlijk voorspelbaar, vergelijkbaar met het voorspellen van het traject van zwemmers die uit een vlot worden geworpen in een snelle met keien gevulde stroom. Sommige colloïden drijven er doorheen terwijl andere, degenen die zich op een koers bevinden die rechtstreeks naar een rotsblok gaat, zal waarschijnlijk het rotsblok onderscheppen.

Maar het onderscheppen van het rotsblok is de helft van de truc om uit het water te komen, omdat na het vinden van een landingsplaats, een zwemmer (of colloïde) moet "de landing vasthouden". Als het colloïde en het sediment tegengestelde elektrische ladingen hebben, de colloïden plakken wanneer ze het oppervlak raken, en hun concentraties in het grondwater zijn voorspelbaar omdat ze exponentieel afnemen met de afstand tot de verontreinigingsbron.

Maar in de omgeving omstandigheden zijn meestal ongunstig voor gehechtheid. Beide oppervlakken hebben de neiging om negatief geladen te zijn en stoten elkaar af. Onder deze voorwaarden, Johnson zegt, de colloïdconcentraties hebben slechte relaties met afstanden van hun bron die hebben, tot nu, maakte voorspelling van transportafstanden vrijwel onmogelijk.

Wanneer conventionele metingen van oppervlakte-eigenschappen worden gebruikt in de bestaande colloïdaanhechtingstheorie, "theorie oordeelt dat niemand de landing vasthoudt, "zegt Johnson. "Niets mag onder omgevingscondities worden vastgehecht."

Maar deeltjes hechten wel. Sediment kan een effectief filter zijn, zoals blijkt uit vele laboratoriumexperimenten en veldexperimenten in de afgelopen decennia. Bijvoorbeeld, Johnson en zijn studenten hebben experimenten uitgevoerd in Ecuador, waar ze hebben aangetoond dat het uitgraven van kanalen naast door mijnbouw getroffen rivieren ervoor zorgt dat water door de grindbank stroomt, die tot 95 procent van het kwik verwijdert.

Technische colloïdverwijdering kan ook andere waterbronnen helpen beschermen, maar voor een dergelijke techniek is een nauwkeurige voorspelling nodig van de vraag of "de landing blijft" zal plaatsvinden. Dus, wat zorgt ervoor dat sommige dingen aan sediment blijven kleven (zware metalen in Ecuador) en andere niet (bacteriën na zware regenval)? Hier komt decoratieve nanowetenschap in het verhaal.

Decoratieve nanowetenschap

Al meer dan twee decennia, onderzoekers wisten dat de colloïde gehechtheidstheorie onvolmaakt was omdat de theorie zowel het colloïde als het oppervlak als een bulksubstantie behandelde, met overal dezelfde eigenschappen. Op nanoschaal is Hoewel, there's tremendous variation across the surfaces, both in shape and in chemistry. Ongeveer 10 jaar geleden, 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."

Opmerkelijk, 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. Bijvoorbeeld, "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."