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 enfermaron 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 problema es más complicado y misterioso. El geocientífico de la Universidad de Utah William Johnson estudia cómo se mueven los contaminantes, incluidas las bacterias y los virus.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 involucra química, física ... y un poco de nanociencia decorativa.
Johnson y sus colegas de la Universidad de Columbia y de Ecuador publicaron su trabajo hoy en Ciencia y tecnología ambientales y fueron apoyados por la National Science Foundation.
Moléculas, partículas y coloides
Los científicos de aguas subterráneas saben que para predecir qué tan lejos o qué tan rápido se moverá un contaminante, primero deben comprender qué tan bien se adhiere ese contaminante a los granos de sedimento en el camino. Muchos contaminantes, como el nitrato o el arsénico, son pequeñas moléculas compuestas desolo unos pocos átomos cada una. Pero las partículas suspendidas llamadas coloides, incluidos virus, bacterias y 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 que los mosquitosy los dirigibles difieren en lo aleatorios 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 acerca de cómo los contaminantes del tamaño de una molécula se mueven a través de las aguas subterráneasr, 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 en realidad predecible, de manera similar a predecir la trayectoria de los nadadores expulsados de una balsa en una corriente rápida llena de rocas. Algunos coloides flotan directamente mientras que otros,los que se encuentran en un curso que se dirige directamente a una roca, probablemente interceptarán 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, ellos coloides se adhieren 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 la unión. Ambas superficies tienden a tener carga negativa y a repelerse entre sí. En estas condiciones, dice Johnson, las concentraciones de coloides tienen relaciones confusas con las distancias desde su fuente que, hasta ahora,hizo casi imposible la predicción de las distancias de transporte.
Cuando las mediciones convencionales de las propiedades de la superficie se utilizan en la teoría de unión coloidal existente, "la teoría juzga que nadie se pega al aterrizaje", dice Johnson. "Nada debería adherirse nunca en condiciones ambientales".
Pero las partículas se adhieren. Los sedimentos pueden 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 excavar canales adyacentes aLos ríos afectados por la minería hacen que el agua fluya a través del banco de grava, que elimina hasta el 95 por ciento del mercurio.
La remoción de coloides de ingeniería también podría ayudar a proteger otros recursos hídricos, pero dicha ingeniería requerirá una predicción precisa de si se producirá "atascamiento del aterrizaje". Entonces, ¿qué hace que algunas cosas se adhieran a los sedimentos metales pesados en Ecuador pero otras nobacterias después de fuertes lluvias Aquí es donde la nanociencia decorativa entra en la historia.
http://d1bbnjcim4wtri.cloudfront.net/wp-content/uploads/2018/06/05115629/Jun-05-2018-11-52-31.gif "width =" 301 "height =" 224 "/> Este video muestra experimentos izquierda y simulaciones derecha de adhesión coloidal a un grano de sedimento en condiciones de adhesión favorables arriba y desfavorables abajo. Los videos experimentalesmuestran esferas de látex de poliestireno del tamaño de la bacteria E. coli que fluyen a través de perlas de vidrio de medio milímetro de diámetro. Video de tamaño completo disponible aquí.
nanociencia decorativa
Durante más de dos décadas, los investigadores sabían que la teoría de la unión de coloides era imperfecta porque la teoría trataba tanto al coloide como a la superficie como una sustancia a granel, con las mismas propiedades en todas partes. Sin embargo, a nanoescala, hay una enorme variación entre las superficies, tanto en forma como en química. Hace unos 10 años, investigadores de la Universidad de Massachusetts desarrollaron una forma más sencilla de representar áreas de diferentes propiedades en superficies como las decoraciones de un huevo de Pascua o manchas de color en una pintura impresionista.
Johnson, sus estudiantes graduados y colegas llevaron el concepto más lejos a partir de 2014 para tratar de hacer coincidir esta teoría "decorativa" con experimentos de coloides que se mueven a través de sedimentos. Los coloides y las superficies, según la teoría decorativa, interactúan en una zona de interacción limitadaque se expande al aumentar el tamaño del coloide y al disminuir la fuerza iónica, la concentración de iones disueltos en el agua.
Mantener el aterrizaje depende de si los dominios de superficie atractivos llenan la mayor parte de la zona de interacción, lo que hace que la red de interacción sea atractiva. En medio del equilibrio del tamaño atractivo de la decoración, el tamaño del coloide, la fuerza iónica y la velocidad del agua, la nueva teoría muestra cómo los coloides puedenAl variar el tamaño del coloide, la fuerza iónica y la velocidad del agua, el grupo de Johnson encontró una representación de las "decoraciones" que explican la unión del coloide en condiciones ambientales.
Pero otros fenómenos también surgieron de simulaciones que ahora incorporaron sedimentos "decorados", fenómenos que él y sus colegas exploraron en su nuevo artículo. Algunos coloides se adhieren rápidamente y otros se adhieren lentamente a medida que husmean en busca de puntos en los sedimentos en los que pueden adherirse.su aterrizaje, muestran las simulaciones de Johnson. También muestran un rango de "tiempos de residencia" para los coloides cuando cuelgan alrededor de la superficie de un sedimento.
"Cuando colocas estos tiempos de residencia en relaciones simples para aumentar la escala y predecir el transporte a distancias más grandes", dice Johnson, "resultan las relaciones previamente impredecibles para la concentración de coloides como una función de la distancia de transporte. Ahora finalmente podemos predecirlas".
En particular, de las simulaciones también surge una posible explicación de la relación entre las fuertes lluvias y el brote de enfermedades en el agua subterránea. El agua subterránea tiene naturalmente una fuerza iónica más alta que el agua de lluvia dulce debido a la química agua-roca subterránea. Pero durante las lluvias intensas, el agua subterránea puedecambiar a una fuerza iónica más baja. La zona de interacción coloide-superficie se expande, lo que puede cambiar la interacción general de atractiva a repulsiva. "Se reduce la fuerza iónica como lo haría con una lluvia intensa", dice Johnson. "La zona de interacción se expande más allála atractiva "decoración" a nanoescala, la interacción cambia de atractivo neto a repulsivo neto, y la cosa aparece. "Ahora, dice Johnson, los administradores del agua tienen más herramientas para prevenir brotes de enfermedades como el de Ontario. Por ejemplo," tuvimosno hay ecuaciones de transporte para guiar qué tan lejos se debe colocar un sistema séptico de un pozo de agua potable ", dice Johnson. Los profesionales ambientales a veces agregan partículas de carbono oen el agua subterránea para mejorar la limpieza de la contaminación."No han tenido una guía de diseño práctica porque la teoría ha fallado hasta hace poco", agrega Johnson."Ahora tenemos herramientas predictivas para optimizar la velocidad del fluido para entregar partículas de hierro o carbono a su objetivo".
Johnson está emocionado de ver la convergencia de la teoría y la evidencia experimental en este artículo, avanzando en un campo en el que ha estado trabajando durante años. "Hemos echado atrás una característica que probablemente sea representativa. Cosas que observamos a escalas más grandesemergen de la representación de fenómenos en la escala de nano a poros ", dice." Para mí, eso es realmente satisfactorio ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :