Везде, где есть вода, обязательно должны быть пузырьки, плавающие на поверхности. От стоячих луж, озер и ручьев до бассейнов, джакузи, общественных фонтанов и туалетов - мыльные пузыри повсюду, в помещении и на улице.
Новое исследование Массачусетского технологического института показывает, как пузырьки, зараженные бактериями, могут действовать как крошечные микробные гранаты, взрываясь и запуская микроорганизмы, в том числе потенциальные патогены, из воды в воздух.
В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, исследователи обнаружили, что бактерии могут влиять на долговечность пузыря: покрытый бактериями пузырь, плавающий на поверхности воды, может просуществовать более чем в 10 раз дольше, чем незагрязненный., сохраняющийся в течение минут вместо секунд. За это время шляпка загрязненного пузыря истончается. Чем тоньше пузырь, тем большее количество капель он может выпустить в воздух, когда пузырь неизбежно лопнет. Одна капля, по оценкам исследователей, может переносить до тысячи микроорганизмов, а каждый пузырек может выделять сотни капель.
«Мы обнаружили, что бактерии могут манипулировать интерфейсами таким образом, что это может улучшить их собственное распространение из воды в воздух», - говорит Лидия Буруиба, доцент кафедры гражданского и экологического строительства и директор Лаборатории гидродинамики передачи болезней.
Соавтор статьи Буруйбы - аспирант Стефан Пулен.
Что-то в воде
Буруиба провела последние несколько лет, тщательно создавая, визуализируя и описывая чистые, незагрязненные пузырьки, с целью установить базовый уровень нормального поведения пузырьков.
«Сначала нам нужно было понять физику чистых пузырьков, прежде чем мы смогли добавить такие организмы, как бактерии, чтобы увидеть, какое влияние они оказывают на систему», - говорит Буруйба.
Как оказалось, исследователи впервые заметили действие бактерий несколько случайно. Команда была в разгаре переезда в новое лабораторное помещение, и в процессе перетасовки стакан с водой остался на открытом воздухе. Когда исследователь использовал его в последующих экспериментах, результаты оказались не такими, как ожидала команда.
«Пузырьки, образовавшиеся из этой воды, жили намного дольше и имели своеобразную эволюцию истончения по сравнению с пузырьками типичной чистой воды», - говорит Пулен.
Буруиба подозревала, что вода была заражена, и команда вскоре подтвердила ее гипотезу. Они проанализировали воду и обнаружили бактерии, которые естественным образом присутствуют в помещении.
Эффект сока
Чтобы непосредственно изучить влияние бактерий на пузырьки, команда поставила эксперимент, в котором они наполнили колонку раствором воды и различными видами бактерий, включая кишечную палочку. Исследователи разработали систему для создания пузырьков внутри колонки с помощью воздушного насоса, по одному за раз, чтобы контролировать объем и размер каждого пузырька. Когда пузырь поднялся на поверхность, команда использовала высокоскоростную визуализацию в сочетании с рядом оптических методов, чтобы зафиксировать его поведение на поверхности и во время взрыва.
Исследователи заметили, что, как только пузырек, зараженный кишечной палочкой, достигал поверхности воды, его собственная поверхность, или крышка, немедленно начинала истончаться, в основном за счет стекания обратно в воду, подобно тающей оболочке шоколад. Это поведение было похоже на поведение незагрязненных пузырей.
Но загрязненные пузыри оставались на поверхности более чем в 10 раз дольше, чем незагрязненные пузыри. И после критического периода времени наполненные бактериями пузырьки стали истончаться гораздо быстрее. Буруиба подозревал, что не сами бактерии, а то, что они выделяют, дольше удерживает пузырь на месте.
«Бактерии живые, и, как и все живое, они производят отходы, и эти отходы обычно представляют собой то, что потенциально может взаимодействовать с интерфейсом пузыря», - говорит Буруиба. «Итак, мы отделили организмы от их «сока».
Исследователи вымыли бактерии из их выделений, а затем повторили свои эксперименты, используя выделения бактерий. Как и подозревал Буруиба, пузыри, содержащие одни только выделения, существовали намного дольше, чем чистые пузыри. Группа пришла к выводу, что выделения должны быть ключевым компонентом в продлении жизни пузыря. Но как?
Опять же, у Буруибы была гипотеза: бактериальные выделения могут уменьшать поверхностное натяжение пузырьков, делая их более эластичными, более устойчивыми к возмущениям и, в конце концов, с большей вероятностью проживут дольше на поверхности воды. Она отметила, что это поведение похоже на поверхностно-активные соединения или поверхностно-активные вещества, такие как соединения в моющих средствах, которые образуют мыльные пузыри.
Чтобы проверить эту идею, исследователи повторили эксперименты, на этот раз заменив бактерии обычными синтетическими поверхностно-активными веществами, и обнаружили, что они также производят более долговечные пузырьки, которые также резко истончаются через определенный период времени. Этот эксперимент подтвердил, что выделения бактерий действуют как поверхностно-активные вещества, продлевая срок службы загрязненных пузырьков.
Затем исследователи искали объяснение резкому изменению скорости истончения загрязненного пузыря. У чистых пузырей истончение крышки было в основном результатом дренажа, так как вода в крышке в основном стекает обратно в жидкость, из которой вырос пузырь. Такие пузыри живут порядка секунд, и скорость их осушения постоянно замедляется по мере того, как пузырек становится тоньше.
Но если пузырь существует после критического времени, испарение начинает играть более доминирующую роль, чем дренаж, по существу сбрасывая молекулы воды с шапки пузыря. Исследователи пришли к выводу, что, если пузырек содержит бактерии, бактерии и их выделения заставляют пузырек дольше оставаться на поверхности воды - достаточно долго, чтобы испарение стало более важным, чем дренаж в истончении шапки пузыря.
По мере того, как шапка пузыря становится тоньше, капли, которые он выбрасывает, когда он неизбежно лопнет, становятся меньше, быстрее и многочисленнее. Команда обнаружила, что один наполненный бактериями пузырь может создавать в 10 раз больше капель, которые в 10 раз меньше и выбрасываются в 10 раз быстрее, чем то, что может произвести чистый пузырь. Это сотни капель размером всего в несколько десятков микрон, которые выбрасываются со скоростью порядка 10 метров в секунду.