Obserwacja niewidocznych zanieczyszczeń pod naszymi miastami
Wody podziemne stanowią jeden z fundamentów ludzkiego przetrwania i dobrobytu. Stanowią 30 % ogółu wód słodkich na naszej planecie(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Jak wskazuje nazwa, znajdują się w podziemnych warstwach wodonośnych, przez które przepływają. Te podziemne warstwy skał i osadów są istotnym źródłem wody wykorzystywanej do użytku domowego, przemysłowego oraz rolniczego. Ze względu na to, ze zasoby wód podziemnych w miastach są narażone na oddziaływanie skutków zmiany klimatu, zanieczyszczenia i nadmierną eksploatację, jakość wody je zasilającej staje się ważniejsza niż kiedykolwiek wcześniej. Zespół finansowanego ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie” projektu SPONGE postawił sobie za cel zrozumienie wpływu mikroplastików i nowych zanieczyszczeń w wodach odpływowych na warstwy wodonośne. Celem tych prac było ustalenie, czy zmagazynowana woda odpływowa może być wykorzystana do poprawy odporności miejskich warstw wodonośnych na niedobór wód gruntowych.
Nowe metody usprawniają wykrywanie szkodliwych cząsteczek
Zespół projektu SPONGE rozpoczął prace od monitorowania wód podziemnych w 11 studniach przez okres 17 miesięcy w latach 2023-2025, a także pobrania próbek potencjalnych źródeł zanieczyszczeń, w tym wód odpływowych i ścieków. Badacze analizowali zebrane próbki pod kątem występowania mikroplastików, antybiotyków, leków i znaczników chemicznych. W celu przeprowadzenia tych analiz zespół opracował nowatorskie podejście wieloznacznikowe, które łączy dane na temat izotopów, środków chemicznych i leków w celu prześledzenia potencjalnych ścieżek skażenia. Wyniki tych prac wskazały wycieki ścieków jako głównego winowajcę, co pozwoliło na wyciągnięcie nowych wniosków dotyczących procesów odpowiedzialnych za ich dystrybucję. Zanim było to jednak możliwe, zespół musiał stawić czoła ograniczeniom istniejących technik wykrywania i identyfikacji. Jak wyjaśnia Stefano Viaroli, kierownik projektu: „Odkryliśmy, że powszechnie stosowane protokoły i techniki spektroskopowe nie są w stanie wykryć i scharakteryzować cząstek mniejszych niż 20 µm. Aby rozwiązać ten problem, przetestowaliśmy innowacyjne podejście wykorzystujące mikroskopię sił atomowych do wykrywania mikroplastiku w nanoskali”. Chociaż metoda ta nie jest jeszcze powszechnie stosowana ze względu na wysokie koszty i wyzwania związane z wykrywaniem wielu rodzajów polimerów, wyniki okazały się bardzo obiecujące. Dowodzą bowiem możliwości charakteryzacji mikroplastików i ich związku z innymi zanieczyszczeniami wodnymi przy pomocy tej metody.
Zaawansowane modelowanie numeryczne na potrzeby analizy wód podziemnych
Rzeczywiste warunki występowania wód podziemnych są trudne do odtworzenia w warunkach laboratoryjnych, co wpływa na dokładność prowadzonych analiz. Wykorzystując symulacje 3D, zespół projektu SPONGE modelował przedostawanie się mikroplastików przez porowate ośrodki przy zmiennych gradientach hydraulicznych, poprawiając w ten sposób możliwości prognozowania tych procesów i odtwarzając rzeczywiste warunki. Opracowany przez badaczy model numeryczny został przetestowany w symulacji uzupełniania warstwy wodonośnej w skali miasta w Shenzhen, chińskiej metropolii w prowincji Guangdong. W ten sposób zespół wykazał, że płytkie warstwy wodonośne na takich obszarach zawierają duże ilości zanieczyszczeń. „Duże miejskie systemy zbierania ścieków stanowią potencjalne źródła zanieczyszczeń - przepełnione kanalizacje mogą bowiem przelewać się do warstw wodonośnych”, zauważa Viaroli. „Te ustalenia poprawiają nasze zrozumienie zagadnienia jakości wód gruntowych i głównych źródeł zanieczyszczeń podpowierzchniowych”, dodaje.
Międzykulturowy projekt
Konsorcjum projektu SPONGE zrealizowało szereg działań we współpracy z Południowym Uniwersytetem Nauki i Technologii(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (SUSTech) w Shenzhen. Instytucja partnerska zapewniła obiekty, urządzenia pozwalające na monitorowanie wód gruntowych i gromadzenie próbek, a także sprzęt analityczny przeznaczony do analiz chemicznych i wykrywania leków. „Możliwość prowadzenia badań w środowisku całkowicie oderwanym od kontekstu europejskiego była bardzo interesująca - dzięki temu byliśmy w stanie zobaczyć na własne oczy zupełnie nowe podejście do badań i nawiązać współpracę z innymi naukowcami na wszystkich szczeblach, wymieniając się pomysłami i doświadczeniami”, zauważa Viaroli. „Jednym z najważniejszych osiągnięć zespołu projektu SPONGE było udoskonalenie metod pobierania próbek i wstępnego oczyszczania wód podziemnych, co pomogło lepiej określić podatność warstwy wodonośnej na zanieczyszczenie mikroplastikami”, podsumowuje Viaroli. W ten sposób projekt SPONGE utorował drogę do zwiększenia bezpieczeństwa odtwarzania miejskich warstw wodonośnych, co przełoży się na zdrowsze i bardziej odporne ekosystemy wodne.