Quando batteri e virus entrano nell'acqua del pozzo e fanno ammalare le persone, spesso la contaminazione arriva dopo forti piogge o inondazioni. Nel 2000, più di 2, 300 persone a Walkerton, Ontario, si è ammalato quando, dopo piogge insolitamente abbondanti. E. coli i batteri hanno trovato la loro strada verso i pozzi di acqua potabile. Sette persone sono morte.

Il motivo sembra semplice:l'acqua sotterranea in più spinge i batteri verso i pozzi. Ma a livello microscopico, la questione è più complicata e misteriosa. Il geoscienziato dell'Università dello Utah, William Johnson, studia come i contaminanti, inclusi batteri e virus, si muovono attraverso le acque sotterranee. Dopo anni di lavoro su questo problema, Johnson ha trovato una risposta che potrebbe aiutare i gestori delle risorse idriche a prepararsi e rispondere meglio alle epidemie causate da piogge e inondazioni.

La risposta riguarda la chimica, fisica... e un po' di nanoscienza decorativa.

Johnson e i suoi colleghi della Columbia University e dell'Ecuador hanno pubblicato oggi il loro lavoro in Scienze e tecnologie ambientali e sono stati sostenuti dalla National Science Foundation.

molecole, particelle e colloidi

Gli scienziati delle acque sotterranee sanno che per prevedere quanto lontano o quanto velocemente si muoverà un contaminante, devono prima capire quanto bene quel contaminante si attacca ai grani di sedimento lungo la strada. Molti contaminanti, come nitrato o arsenico, sono piccole molecole composte da pochi atomi ciascuna. Ma le particelle sospese (chiamate colloidi) inclusi i virus, batteri e protozoi sono migliaia o milioni di volte più grandi delle molecole. La differenza di dimensioni fa sì che le molecole e i colloidi rispondano in modo diverso alle forze che li circondano, allo stesso modo in cui le zanzare e i dirigibili differiscono per quanto siano casuali i loro movimenti e per la loro capacità di nascondersi dal vento. Le forze effettive in gioco tra i contaminanti e le superfici dei sedimenti sono correlate alle forze elettrostatiche tra palloncini e capelli e alle forze di van der Waals che tengono i gechi sui soffitti, che sono molto più forti per i colloidi delle molecole. Sebbene gli scienziati abbiano una buona idea su come i contaminanti di dimensioni molecolari si muovono attraverso le acque sotterranee, il comportamento dei colloidi è più difficile da definire a causa della differenza di dimensioni.

Poiché i colloidi di grandi dimensioni hanno un movimento casuale limitato, la loro probabilità di colpire le superfici dei grani di sedimenti nelle acque sotterranee è in realtà prevedibile, in modo simile alla previsione della traiettoria dei nuotatori espulsi da una zattera in un rapido flusso pieno di massi. Alcuni colloidi galleggiano mentre altri, quelli che si trovano su un percorso diretto direttamente a un masso, probabilmente intercetterà il masso.

Ma intercettare il masso è metà del trucco per uscire dall'acqua, poiché dopo aver trovato un punto di atterraggio, un nuotatore (o colloide) deve "attaccare l'atterraggio". Se il colloide e il sedimento hanno cariche elettriche opposte, i colloidi si attaccano quando colpiscono la superficie, e le loro concentrazioni nelle acque sotterranee sono prevedibili poiché diminuiscono esponenzialmente con la distanza dalla fonte di contaminazione.

Ma nell'ambiente le condizioni sono generalmente sfavorevoli all'attaccamento. Entrambe le superfici tendono ad essere caricate negativamente e si respingono a vicenda. In queste condizioni, Johnson dice, le concentrazioni colloidali hanno rapporti imprevedibili con le distanze dalla loro sorgente che hanno, fino ad ora, ha reso quasi impossibile la previsione delle distanze di trasporto.

Quando le misurazioni convenzionali delle proprietà della superficie vengono utilizzate nella teoria dell'attaccamento colloidale esistente, "la teoria giudica che nessuno attacca il pianerottolo, " Johnson dice. "Niente dovrebbe mai attaccarsi in condizioni ambientali".

Ma le particelle si attaccano. I sedimenti possono essere un filtro efficace, come dimostrato da molti esperimenti di laboratorio ed esperimenti sul campo negli ultimi decenni. Per esempio, Johnson e i suoi studenti hanno condotto esperimenti in Ecuador dove hanno dimostrato che lo scavo di canali adiacenti ai fiumi minerari fa fluire l'acqua attraverso il banco di ghiaia, che rimuove fino al 95% del mercurio.

La rimozione ingegneristica del colloide potrebbe aiutare a proteggere anche altre risorse idriche, ma tale ingegneria richiederà una previsione accurata se si verificherà "attaccare l'atterraggio". Così, cosa fa sì che alcune cose si attacchino ai sedimenti (metalli pesanti in Ecuador) ma altre no (batteri dopo forti piogge)? È qui che entra in gioco la nanoscienza decorativa.

Nanoscienza decorativa

Da più di due decenni, i ricercatori sapevano che la teoria dell'attaccamento colloidale era imperfetta perché la teoria trattava sia il colloide che la superficie come una sostanza sfusa, con le stesse proprietà dappertutto. Alla nanoscala, anche se, c'è un'enorme variazione tra le superfici, sia nella forma che nella chimica. Circa 10 anni fa, i ricercatori dell'Università del Massachusetts hanno sviluppato un modo più semplice per rappresentare aree con proprietà diverse su superfici simili a decorazioni su un uovo di Pasqua o macchie di colore su un dipinto impressionista.

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 dice, "out come the previously unpredictable relationships for colloid concentration as a function of transport distance. Now we can finally predict them."

In particolare, 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 dice, water managers have more tools to prevent disease outbreaks like the one in Ontario. Per esempio, "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."