Sprængende bobler udsender bakterier fra vand til luft

Uanset hvor der er vand, der er helt sikkert bobler, der flyder på overfladen. Fra stående vandpytter, søer, og vandløb, til svømmehaller, spabade, offentlige springvand, og toiletter, bobler er allestedsnærværende, inde og ude.

En ny MIT -undersøgelse viser, hvordan bobler, der er forurenet med bakterier, kan fungere som små mikrobielle granater, sprængning og udsendelse af mikroorganismer, herunder potentielle patogener, ud af vandet og ud i luften.

I undersøgelsen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , forskerne fandt ud af, at bakterier kan påvirke en bobles levetid:En bakteriedækket boble, der flyder ved vandoverfladen, kan vare mere end 10 gange længere, end en uforurenet kan, vedvarer i minutter i stedet for sekunder. I løbet af denne tid, hætten på den forurenede boble tyndes. Jo tyndere boblen, jo større antal dråber den kan starte i luften, når boblen uundgåeligt brister. En enkelt dråbe, forskerne vurderer, kan bære op til tusinder af mikroorganismer, og hver boble kan udsende hundredvis af dråber.

"Vi opdagede, at bakterier kan manipulere grænseflader på en måde, der kan forbedre deres egen vand-til-luft spredning, "siger Lydia Bourouiba, adjunkt i civil- og miljøteknik og direktør for Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory.

Bourouibas medforfatter på papiret er kandidatstuderende Stephane Poulain.

Noget i vandet

Bourouiba har brugt de sidste mange år omhyggeligt på at generere, billeddannelse, og karakteriserer ren, uforurenede bobler, med det mål at etablere en grundlinje for normal bobleadfærd.

"Vi var først nødt til at forstå fysikken i rene bobler, før vi kunne tilføje organismer som bakterier for at se, hvilken effekt de har på systemet, "Siger Bourouiba.

Som det sker, forskerne lagde først mærke til bakteriens virkning noget ved et uheld. Teamet var midt i at flytte til et nyt laboratorierum, og i blandingen, et bæger med vand var blevet efterladt i det fri. Da forskeren brugte det i efterfølgende forsøg, resultaterne var ikke, hvad teamet forventede.

"Boblerne produceret fra dette vand levede meget længere og havde en ejendommelig tyndere udvikling sammenlignet med typiske rene vandbobler, "Siger Poulain.

Bourouiba formodede, at vandet var forurenet, og teamet bekræftede snart hendes hypotese. De analyserede vandet og fandt tegn på bakterier, der naturligt er til stede indendørs.

Juice -effekten

For direkte at studere bakteriers effekt på bobler, teamet oprettede et eksperiment, hvor de fyldte en søjle med en opløsning af vand og forskellige bakteriearter, herunder E. coli. Forskerne udviklede et system til at generere bobler med en luftpumpe, en ad gangen, inde i kolonnen, for at kontrollere volumen og størrelse af hver boble. Når en boble steg til overfladen, holdet brugte højhastigheds-billeddannelse kombineret med en række optiske teknikker til at fange dets adfærd, på overfladen, og da den sprængte.

Forskerne observerede, at når en boble, der var forurenet med E. coli, nåede vandets overflade, sin egen overflade, eller kasket, begyndte straks at tynde, mest ved at dræne tilbage i vandet, som en smeltende skal af chokolade. Denne adfærd lignede den for uforurenede bobler.

Men de forurenede bobler forblev på overfladen mere end 10 gange længere end uforurenede bobler. Og efter en kritisk periode, de bakterier fyldte bobler begyndte at tynde meget hurtigere. Bourouiba mistænkte, at det måske ikke var bakterierne selv, men hvad de udskiller, der holder boblen på plads i længere tid.

"Bakterier lever, og som noget levende, de laver affald, og at affald typisk er noget, der potentielt kan interagere med boblens grænseflade, "Siger Bourouiba." Så vi adskilte organismerne fra deres 'juice'. "

Forskerne vaskede bakterier væk fra deres sekreter, gentog derefter deres eksperimenter, ved hjælp af bakteriernes sekret. Ligesom Bourouiba mistænkte, boblerne indeholdende sekreterne alene varede meget længere end rene bobler. Hemmelighederne, gruppen konkluderede, skal være nøgleingrediensen i forlængelse af en bobles levetid. Men hvordan?

Igen, Bourouiba havde en hypotese:Bakteriesekret kan virke for at reducere en bobles overfladespænding, gør den mere elastisk, mere modstandsdygtig over for forstyrrelser, og i sidste ende, mere sandsynligt at leve længere på en vandoverflade. Denne adfærd, hun bemærkede, lignede overfladeaktive forbindelser, eller overfladeaktive stoffer, såsom forbindelserne i vaskemidler, der laver sæbebobler.

For at teste denne idé, forskerne gentog eksperimenterne, denne gang ved at bytte bakterier ud mod almindelige syntetiske overfladeaktive stoffer, og fandt ud af, at de også producerede bobler med lang levetid, der også tyndede dramatisk efter et bestemt tidsrum. Dette forsøg bekræftede, at bakteriers sekreter virker som overfladeaktive stoffer, der forlænger levetiden for forurenede bobler.

Forskerne ledte derefter efter en forklaring på den drastiske ændring i en forurenet bobles udtyndingshastighed. I rene bobler, udtyndingen af ​​hætten var hovedsageligt et resultat af dræning, da vand i hætten for det meste dræner tilbage i væsken, hvorfra boblen steg. Sådanne bobler lever i størrelsesordenen sekunder, og deres dræningshastighed sænkes kontinuerligt, når boblen tynder.

Men hvis en boble varer forbi en kritisk tid, fordampning begynder at spille en mere dominerende rolle end dræning, hovedsageligt barbering af vandmolekyler fra boblens hætte. Forskerne konkluderede, at hvis en boble indeholder bakterier, bakterierne og deres sekret, få en boble til at vare længere på en vandoverflade - længe nok til at fordampning bliver vigtigere end dræning ved at tynde boblens hætte.

Når en boblehætte bliver tyndere, dråberne, det sprøjter ud, når det uundgåeligt brister, bliver mindre, hurtigere, og flere. Teamet fandt ud af, at en enkelt boblefyldt boble kan skabe 10 gange flere dråber, som er 10 gange mindre og skubbes 10 gange hurtigere ud end hvad en ren boble kan producere. Dette udgør hundredvis af dråber, der kun måler et par snesevis af mikroner, og som udsendes med hastigheder i størrelsesordenen 10 meter i sekundet.

"Den identificerede mekanisme [Bourouiba] fungerer også, når skumbobler brister ved havets overflade, "siger Andrea Prosperetti, professor i maskinteknik ved University of Houston, som ikke var involveret i forskningen. "Størrelsen af ​​disse små filmdråber bestemmer, hvor godt de kan opsamles og bæres af vinden. Denne proces har betydelige konsekvenser for klima og vejr. Den samme grundlæggende proces påvirker sundhedsfarerne ved olieudslip i havet:Den lille film dråber bærer farlige kemikalier fra olien, som kan indåndes af mennesker og dyr i kystområderne. Så, disse ydmyge, små dråber har store konsekvenser i mange processer, der er afgørende for livet. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.