Lorsque des bactéries et des virus pénètrent dans l'eau de puits et rendent les gens malades, souvent, la contamination survient après de fortes pluies ou des inondations. En 2000, plus de 2, 300 personnes à Walkerton, Ontario, est tombé malade quand, après des pluies exceptionnellement fortes. E. coli les bactéries se sont retrouvées dans les puits d'eau potable. Sept personnes sont décédées.

La raison semble simple :l'eau souterraine supplémentaire entraîne les bactéries vers les puits. Mais au niveau microscopique, le problème est plus compliqué et mystérieux. Le géoscientifique de l'Université de l'Utah, William Johnson, étudie comment les contaminants, y compris les bactéries et les virus, se déplacent dans les eaux souterraines. Après des années de travail sur ce problème, Johnson a trouvé une réponse qui pourrait aider les gestionnaires de l'eau à mieux se préparer et à répondre aux épidémies causées par la pluie et les inondations.

La réponse implique la chimie, la physique... et un peu de nanoscience décorative.

Johnson et ses collègues de l'Université Columbia et de l'Équateur ont publié aujourd'hui leurs travaux dans Sciences et technologies de l'environnement et ont été soutenus par la National Science Foundation.

Molécules, particules et colloïdes

Les scientifiques des eaux souterraines savent que pour prédire à quelle distance ou à quelle vitesse un contaminant se déplacera, ils doivent d'abord comprendre dans quelle mesure ce contaminant adhère aux grains de sédiments en cours de route. De nombreux contaminants, comme le nitrate ou l'arsenic, sont de petites molécules composées de quelques atomes chacune. Mais les particules en suspension (appelées colloïdes) dont les virus, les bactéries et les protozoaires sont des milliers à des millions de fois plus gros que les molécules. La différence de taille fait que les molécules et les colloïdes réagissent différemment aux forces qui les entourent, de la même manière que les moustiques et les dirigeables diffèrent par la manière dont leurs mouvements sont aléatoires et par leur capacité à se cacher du vent. Les forces réelles en jeu entre les contaminants et les surfaces de sédiments sont liées aux forces électrostatiques entre les ballons et les cheveux et les forces de van der Waals qui maintiennent les geckos sur les plafonds, qui sont beaucoup plus forts pour les colloïdes que les molécules. Bien que les scientifiques aient une bonne idée de la façon dont les contaminants de la taille d'une molécule se déplacent dans les eaux souterraines, le comportement des colloïdes est plus difficile à cerner en raison de la différence de taille.

Parce que les grands colloïdes ont un mouvement aléatoire limité, leur probabilité de heurter la surface des grains de sédiments dans les eaux souterraines est en fait prévisible, de la même manière que de prédire la trajectoire des nageurs éjectés d'un radeau dans un ruisseau rapide rempli de rochers. Certains colloïdes flottent à travers tandis que d'autres, ceux qui se retrouvent sur un parcours se dirigeant directement vers un bloc, interceptera probablement le rocher.

Mais intercepter le rocher est la moitié de l'astuce pour sortir de l'eau, car après avoir trouvé un point d'atterrissage, un nageur (ou un colloïde) doit « coller l'atterrissage ». Si le colloïde et le sédiment ont des charges électriques opposées, les colloïdes collent lorsqu'ils touchent la surface, et leurs concentrations dans les eaux souterraines sont prévisibles puisqu'elles diminuent de façon exponentielle avec la distance de la source de contamination.

Mais dans l'environnement, les conditions sont généralement défavorables à l'attachement. Les deux surfaces ont tendance à être chargées négativement et à se repousser. Dans ces conditions, Johnson dit, les concentrations de colloïdes ont des relations confuses avec les distances de leur source qui ont, jusqu'à maintenant, a rendu la prédiction des distances de transport pratiquement impossible.

Lorsque les mesures conventionnelles des propriétés de surface sont utilisées dans la théorie existante de la fixation des colloïdes, "la théorie juge que personne ne colle l'atterrissage, ", dit Johnson. "Rien ne devrait jamais s'attacher dans des conditions environnementales."

Mais les particules s'attachent. Les sédiments peuvent être un filtre efficace, comme le montrent de nombreuses expériences en laboratoire et sur le terrain au cours des dernières décennies. Par exemple, Johnson et ses étudiants ont mené des expériences en Équateur où ils ont montré que l'excavation de canaux adjacents aux rivières touchées par l'exploitation minière permet à l'eau de s'écouler à travers la banque de gravier, qui élimine jusqu'à 95 pour cent du mercure.

L'élimination des colloïdes techniques pourrait également aider à protéger d'autres ressources en eau, mais une telle ingénierie nécessitera une prédiction précise de l'éventualité de "coller l'atterrissage". Donc, qu'est-ce qui fait que certaines choses adhèrent aux sédiments (métaux lourds en Equateur) mais pas (bactéries après de fortes pluies) ? C'est ici que les nanosciences décoratives entrent en ligne de compte.

Nanoscience décorative

Depuis plus de deux décennies, les chercheurs savaient que la théorie de l'attachement des colloïdes était imparfaite parce que la théorie traitait à la fois le colloïde et la surface comme une substance en vrac, avec les mêmes propriétés partout. A l'échelle nanométrique, bien que, il y a une énorme variation à travers les surfaces, à la fois en forme et en chimie. Il y a environ 10 ans, Des chercheurs de l'Université du Massachusetts ont mis au point un moyen plus simple de représenter des zones de propriétés variables sur des surfaces, comme des décorations sur un œuf de Pâques ou des taches de couleur sur une peinture impressionniste.

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."

Notamment, 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 dit, water managers have more tools to prevent disease outbreaks like the one in Ontario. Par exemple, "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."