O tym, skąd biorą się nowe pomysły badawcze i jak w warunkach laboratoryjnych odwzorowywać warunki przyrodnicze środowiska wodnego rozmawiamy z dr inż. Magdaleną Mrokowską z Zakładu Hydrologii i Hydrodynamiki, która właśnie rozpoczyna nowy projekt z konkursu SONATA pt. Eksperymentalne badania wpływu egzopolimerów na dynamikę opadania i interakcji cząstek stałych w środowisku wodnym uwarstwionym gęstościowo.

Skąd biorą się pomysły badawcze na granty?

Madgalena Mrokowska: W temacie badań środowiska wodnego uwarstwionego gęstościowo pracuję już od 3 lat, a nieco krócej zajmuję się wpływem egzopolimerów obecnych w wodzie na opadanie cząstek. Pomysł na podjęcie tych zagadnień, a potem na projekt zrodził się z mojego zainteresowania szeroko rozumianymi naukami o środowisku. Badania realizowane w projekcie mają związek nie tylko z hydrodynamiką czy mechaniką płynów, ale również z oceanologią oraz chemią.   Warto poświęcić trochę czasu na przeglądanie literatury naukowej nie związanej bezpośrednio z tym, czym się aktualnie zajmujemy. Mamy wtedy szansę wzbogacić nasze obecne badania albo spojrzeć świeżym okiem na istniejące problemy i stworzyć nowatorski pomysł na badania, które będziemy realizować z pasją. Uważam, że warto zajmować się zagadnieniami, które rozbudzają naszą ciekawość, bo wtedy badamy je z większym zaangażowaniem, bardziej dociekliwie. Kiedy zaczęłam zajmować się opadaniem cząstek zaskoczyło mnie jak mało wiemy o tym zjawisku szczególnie w odniesieniu do cząstek niekulistych, a przecież właśnie takie dominują w środowisku naturalnym.       

Wody powierzchniowe obfitują w cząstki różnorodnego pochodzenia takie jak okruchy mineralne, mikroorganizmy, martwa materia organiczna, mikroplastiki oraz ich porowate agregaty (tzw. śnieg oceaniczny). Znaczna część opada pod wpływem grawitacji na dno oceanów i jezior biorąc w tym czasie udział w procesach fizycznych, chemicznych i biologicznych. Opadające cząstki pełnią szereg istotnych funkcji: transportują węgiel z powierzchni na dno oceanów, są miejscem żerowania i zwiększonej aktywności mikroorganizmów, które powodują remineralizację materii organicznej, mikroplastiki zagrażają organizmom morskim stając się częścią łańcuchów pokarmowych. Tempo sedymentacji ma wpływ na wielkoskalowe procesy takie jak cykle biogeochemiczne, produktywność oceanu oraz klimat, które wpływają na całą planetę. W związku z tym zrozumienie dynamiki opadania cząstek ma istotne znaczenie nie tylko dla pogłębienia wiedzy na temat procesów zachodzących na Ziemi, ale jest także istotne w kontekście społecznym.

Do tej pory opadaniem cząstek zajmowałam się w małej skali, prowadząc badania laboratoryjne. Przed otrzymaniem projektu miałam z tego tematu dwie ważne publikacje, a teraz ukazują się kolejne,  projekt będzie kontynuacją i rozwinięciem tych badań.

Czym są egzopolimery i dlaczego są ważne?

MM: Egzopolimery są to naturalne substancje wydzielane przez mikroorganizmy na zewnątrz komórek.  Mają one śluzową konsystencję i pełnią szereg funkcji, np. pomagają bakteriom w tworzeniu kolonii oraz przywieraniu do powierzchni. Mikroorganizmy otoczone egzopolimerami znamy z życia codziennego, tzw. biofilm można spotkać w instalacjach kanalizacyjnych czy klimatyzacji. Dzięki różnorodnej strukturze i unikalnym własnościom egzopolimery znalazły szereg zastosowań praktycznych, są wykorzystywane jako zagęstniki czy stabilizatory w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. Wystarczy przejrzeć etykiety produktów żywnościowych i kosmetyków, które mamy w domu, żeby znaleźć na nich gumę ksantanową czy kwas hialuronowy.

Egzopolimery występują także w środowisku wodnym, co jest dla mnie najbardziej interesujące z punktu widzenia projektu. W oceanach i jeziorach akumulacja mikroorganizmów często występuje w strefie skoku gęstości, gdzie w konsekwencji obserwowane są znaczące stężenia egzopolimerów wydzielanych przez te mikroorganizmy. Egzopolimery modyfikują lokalnie własności reologiczne wód naturalnych, co ma wpływ na proces opadania cząstek.

Reologia zajmuje się odkształceniem i przepływem materiałów pod wpływem działania naprężeń. Woda jest płynem newtonowskim, tzn. jej lepkość jest stała dla danej temperatury i ciśnienia i nie zależy od przyłożonych naprężeń. Woda z rozpuszczonymi egzopolimerami często staje się płynem nienewtonowskim, tzn. nabiera połączonych cech cieczy i ciała stałego, a jej lepkość zmienia się wraz z szybkością odkształcenia. Z badań w zakresie reologii płynów nienewtonowskich wiadomo, że dynamika opadania cząstek w takich płynach odbiega znacznie od zachowania cząstek opadających w wodzie. Brakuje jednak prac ukierunkowanych na opadanie cząstek w płynach nienewtonowskich, które moglibyśmy odnieść do tych występujących w naturze. Mój projekt ma na celu dostarczyć wiedzę niezbędną do poznania dynamiki opadania cząstek w naturalnym środowisku wodnym o złożonych własnościach fizycznych.

Jakie etapy zaplanowane są w projekcie?

MM: Celem projektu jest zbadanie, w jaki sposób egzopolimery modyfikują własności reologiczne wodnych roztworów jonowych i jak koncentracja egzopolimerów i soli wpływa na dynamikę opadania pojedynczych cząstek i interakcję pomiędzy nimi w środowisku wodnym ze stratyfikacją gęstości. Aby go osiągnąć, zaplanowałam eksperymenty laboratoryjne w Pracowni Mikromodeli Hydrodynamicznych IGF PAN i pomiary reologiczne. Analiza własności reologicznych roztworów zostanie wykonana we współpracy z dr hab. inż. Anną Krztoń-Maziopą, prof. PW, z którą od kilku lat prowadzę ciągłe badania w tym zagadnieniu.

Najpierw zostanie przeanalizowany wpływ soli występujących w naturalnych systemach wodnych na własności reologiczne jonowych wodnych roztworów egzopolimerów. Następnie zostanie zbadany wpływ zasolenia i koncentracji egzopolimerów na reologię wody morskiej z rozpuszczonymi egzopolimerami. W kolejnym etapie zostanie wykonana seria eksperymentów laboratoryjnych w małej skali, aby odnieść się do fundamentalnych procesów opadania cząstek o różnorodnych kształtach w złożonych warunkach panujących w oceanach i jeziorach. Cząstki będą opadały w specjalnie zaprojektowanych zbiornikach. Rozpatrywane będzie opadanie cząstek w jednorodnej cieczy oraz przez granicę gęstości i własności reologicznych cieczy. Proces będzie filmowany, a zdjęcia zostaną przeanalizowane za pomocą metod komputerowych w celu określenia prędkości opadania cząstek, zmiany orientacji przestrzennej cząstek niekulistych, oddziaływania pomiędzy cząstkami oraz struktury przepływu wokół cząstek.

Czy wyniki tych badań mogą być wykorzystywane w innych dziedzinach nauki?

MM: W projekcie skupiam się przede wszystkim na badaniu procesów podstawowych i jestem przekonana, że badania te przyniosą nową wiedzę, bo to zagadnienie jest bardzo słabo poznane. Podczas gdy mamy już pewną wiedzę na temat dynamiki cząstek opadających przez skok gęstości, wpływ egzopolimerów rozpuszczonych w wodach naturalnych ze stratyfikacją gęstości na proces opadania nie jest zbadany. Z tego co wiem, ani w Polsce ani na świecie jeszcze żadni badacze nie podjęli się prac nad opadaniem cząstek w tak złożonych warunkach. Jednak grono odbiorców może być bardzo szerokie, począwszy od oceanografów, przez ekologów badających organizmy wodne, a kończąc na zastosowaniach inżynieryjnych. Wyniki uzyskane w tym projekcie przyczynią się do zwiększenia wiedzy podstawowej na temat wpływu egzopolimerów rozpuszczonych w jonowych roztworach wodnych na dynamikę opadania cząstek. Wiedza uzyskana w wyniku realizacji projektu może okazać się cenna w przyszłości w kontekście prognozowanego zwiększenia stratyfikacji oceanu oraz zakwitu alg wraz ze zmianami klimatu. Wyniki projektu mają szansę wzbogacić nie tylko Nauki o Ziemi, ale również inne dyscypliny zajmujące się procesami w płynach nienewtonowskich.(ZKNiE)