p Quando bactérias e vírus entram na água potável e deixam as pessoas doentes, frequentemente, a contaminação ocorre após chuvas fortes ou inundações. Em 2000, mais de 2, 300 pessoas em Walkerton, Ontário, adoeceu quando, após chuvas invulgarmente fortes. E. coli bactérias encontraram seu caminho para poços de água potável. Sete pessoas morreram. p A razão parece simples - a água subterrânea extra leva as bactérias para os poços. Mas no nível microscópico, a questão é mais complicada e misteriosa. O geocientista William Johnson, da Universidade de Utah, estuda como os contaminantes - incluindo bactérias e vírus - se movem através das águas subterrâneas. Depois de anos trabalhando neste problema, Johnson encontrou uma resposta que pode ajudar os gestores de água a se preparar e responder melhor aos surtos causados ​​por chuvas e inundações.

p A resposta envolve química, física ... e um pouco de nanociência decorativa.

p Johnson e seus colegas da Universidade de Columbia e do Equador publicaram seu trabalho hoje em Ciência e Tecnologia Ambiental e foram apoiados pela National Science Foundation.

p Moléculas, partículas e colóides

p Os cientistas da água subterrânea sabem que, para prever a distância ou a velocidade com que um contaminante se moverá, eles primeiro precisam entender como esse contaminante adere aos grãos de sedimento ao longo do caminho. Muitos contaminantes, como nitrato ou arsênico, são pequenas moléculas compostas de apenas alguns átomos cada. Mas partículas suspensas (chamadas de coloides), incluindo vírus, bactérias e protozoários são milhares a milhões de vezes maiores do que as moléculas. A diferença de tamanho faz com que as moléculas e coloides respondam de maneira diferente às forças ao seu redor, da mesma forma que os mosquitos e os dirigíveis diferem em quão desordenados são seus movimentos e em sua capacidade de se esconder do vento. As forças reais em jogo entre os contaminantes e as superfícies dos sedimentos estão relacionadas às forças eletrostáticas entre os balões e o cabelo e as forças de van der Waals que prendem lagartixas no teto, que são muito mais fortes para colóides do que moléculas. Embora os cientistas tenham uma boa ideia sobre como os contaminantes do tamanho de uma molécula se movem através das águas subterrâneas, o comportamento dos colóides é mais difícil de definir por causa da diferença de tamanho.

p Como grandes colóides têm movimento aleatório limitado, sua probabilidade de atingir as superfícies de grãos de sedimentos nas águas subterrâneas é realmente previsível, de forma semelhante a prever a trajetória de nadadores ejetados de uma jangada em um riacho rápido cheio de pedras. Alguns colóides flutuam enquanto outros, aqueles que se encontram em um curso dirigido diretamente para uma rocha, provavelmente interceptará a pedra.

p Mas interceptar a pedra é metade do truque para sair da água, desde depois de encontrar um local de pouso, um nadador (ou colóide) tem que "manter o pé no chão". Se o colóide e o sedimento têm cargas elétricas opostas, os colóides grudam quando atingem a superfície, e suas concentrações nas águas subterrâneas são previsíveis, pois diminuem exponencialmente com a distância da fonte de contaminação.

p Mas no meio ambiente, as condições são geralmente desfavoráveis ​​ao apego. Ambas as superfícies tendem a ser carregadas negativamente e se repelirem. Sob estas condições, Johnson diz, as concentrações de colóide têm relações complicadas com distâncias de sua fonte que têm, até agora, tornou a previsão das distâncias de transporte quase impossível.

p Quando as medições convencionais das propriedades da superfície são usadas na teoria de fixação de coloide existente, "a teoria julga que ninguém mantém o pé no chão, "Johnson diz." Nada deve ser anexado às condições ambientais. "

p Mas as partículas se fixam. O sedimento pode ser um filtro eficaz, como mostrado por muitos experimentos de laboratório e experimentos de campo nas últimas décadas. Por exemplo, Johnson e seus alunos realizaram experimentos no Equador, onde mostraram que a escavação de canais adjacentes a rios afetados pela mineração induz o fluxo de água através do banco de cascalho, que remove até 95 por cento do mercúrio.

p A remoção de colóide de engenharia pode ajudar a proteger outros recursos hídricos também, mas tal engenharia exigirá uma previsão precisa de se "furar o pouso" ocorrerá. Então, o que faz com que algumas coisas grudem nos sedimentos (metais pesados ​​no Equador), mas outras não (bactérias após chuvas fortes)? É aqui que a nanociência decorativa entra na história.

p Nanociência decorativa

p Por mais de duas décadas, os pesquisadores sabiam que a teoria da fixação do colóide era imperfeita porque a teoria tratava tanto o colóide quanto a superfície como uma substância volumosa, com as mesmas propriedades por toda parte. Na nanoescala, no entanto, há uma enorme variação nas superfícies, tanto na forma quanto na química. Cerca de 10 anos atrás, pesquisadores da Universidade de Massachusetts desenvolveram uma maneira mais simples de representar áreas de propriedades variáveis ​​em superfícies como as decorações em um ovo de Páscoa ou manchas de cor em uma pintura impressionista.

p 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.

p 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.

p 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.

p "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."

p Notavelmente, 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 exemplo, "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."

p 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."