När bakterier och virus kommer ner i brunnsvatten och gör människor sjuka, ofta kommer föroreningen efter kraftigt regn eller översvämningar. År 2000, mer än 2, 300 personer i Walkerton, Ontario, blev sjuk när, efter ovanligt kraftiga regn. E coli bakterier hittade sin väg till dricksvattenbrunnar. Sju personer dog.

Anledningen verkar okomplicerad - det extra grundvattnet sveper bakterierna mot brunnarna. Men på mikroskopisk nivå, frågan är mer komplicerad och mystisk. Geoforskaren William Johnson vid University of Utah studerar hur föroreningar – inklusive bakterier och virus – rör sig genom grundvattnet. Efter år av arbete med detta problem, Johnson har hittat ett svar som kan hjälpa vattenchefer att bättre förbereda sig för och reagera på utbrott orsakade av regn och översvämningar.

Svaret handlar om kemi, fysik... och lite dekorativ nanovetenskap.

Johnson och hans kollegor från Columbia University och från Ecuador publicerade sitt arbete idag i Miljövetenskap och teknik och fick stöd av National Science Foundation.

Molekyler, partiklar och kolloider

Grundvattenforskare vet att för att förutsäga hur långt eller hur snabbt en förorening kommer att röra sig, de måste först förstå hur väl den föroreningen fastnar på sedimentkorn längs vägen. Många föroreningar, såsom nitrat eller arsenik, är små molekyler som består av bara några få atomer vardera. Men suspenderade partiklar (kallade kolloider) inklusive virus, bakterier och protozoer är tusentals till miljoner gånger större än molekyler. Storleksskillnaden gör att molekyler och kolloider reagerar olika på krafterna runt dem, på samma sätt som myggor och luftskenor skiljer sig åt i hur slumpmässiga deras rörelser är och i deras förmåga att gömma sig för vinden. De faktiska krafterna som spelar mellan föroreningar och sedimentytor är relaterade till de elektrostatiska krafterna mellan ballonger och hår och van der Waals-krafterna som håller fast geckos i taket, som är mycket starkare för kolloider än molekyler. Även om forskare har en bra uppfattning om hur föroreningar i molekylstorlek rör sig genom grundvattnet, kolloidernas beteende är svårare att fastställa på grund av storleksskillnaden.

Eftersom stora kolloider har begränsad slumpmässig rörelse, deras sannolikhet att träffa sedimentkornsytor i grundvattnet är faktiskt förutsägbar, på samma sätt som att förutsäga banan för simmare som kastas ut från en flotte i en snabb stenfylld ström. Vissa kolloider flyter rakt igenom medan andra, de som befinner sig på en kurs på väg direkt till ett stenblock, kommer sannolikt att fånga upp stenblocket.

Men att fånga upp stenblocket är halva tricket att ta sig upp ur vattnet, sedan efter att ha hittat en landningsplats, en simmare (eller kolloid) måste "hålla fast vid landningen." Om kolloiden och sedimentet har motsatta elektriska laddningar, kolloiderna fastnar när de träffar ytan, och deras koncentrationer i grundvattnet är förutsägbara eftersom de minskar exponentiellt med avståndet från föroreningskällan.

Men i miljön, förhållandena är vanligtvis ogynnsamma för anknytning. Båda ytorna tenderar att vara negativt laddade och stöta bort varandra. Under dessa omständigheter, Johnson säger, kolloidkoncentrationerna har skumt samband med avstånd från källan som har, tills nu, gjort förutsägelse av transportavstånd nästan omöjligt.

När konventionella mätningar av ytegenskaper används i befintlig kolloidvidhäftningsteori, "teorin bedömer att ingen håller fast vid landningen, "Säger Johnson. "Ingenting ska någonsin fästa under miljöförhållanden."

Men partiklar fäster. Sediment kan vara ett effektivt filter, som visats av många laboratorieexperiment och fältexperiment under de senaste decennierna. Till exempel, Johnson och hans elever har gjort experiment i Ecuador där de har visat att grävning av kanaler intill gruvpåverkade floder lockar vattenflödet genom grusbanken, som tar bort upp till 95 procent av kvicksilvret.

Avlägsnande av teknisk kolloid kan hjälpa till att skydda andra vattenresurser också, men sådan ingenjörskonst kommer att kräva noggrann förutsägelse om huruvida "stickning av landningen" kommer att inträffa. Så, vad gör att vissa saker fastnar i sediment (tungmetaller i Ecuador) men vissa saker inte (bakterier efter kraftiga regn)? Det är här dekorativ nanovetenskap kommer in i historien.

Dekorativ nanovetenskap

For more than two decades, 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. At the nanoscale, fastän, 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."

I synnerhet, 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. Till exempel, "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."