Хороший дождь может оказать очищающее действие на землю. Но исследование Массачусетского технологического института, опубликованное в Nature Communications, сообщает, что при правильных условиях дождь также может быть средством распространения бактерий.
Используя изображения с высоким разрешением, исследователи из отдела машиностроения Массачусетского технологического института наблюдали за тем, как капли дождя падают на сухую почву, населенную бактериями. При падении со скоростью, имитирующей скорость легкого дождя, при температурах, аналогичных температурам в тропических регионах, капли выпускали брызги тумана или аэрозоли. Каждый аэрозоль выносил из почвы до нескольких тысяч бактерий. Исследователи обнаружили, что бактерии оставались живыми более часа после этого.
Если бы эти переносимые по воздуху бактерии были подняты ветром дальше, они могли бы преодолеть приличное расстояние, прежде чем вернуться на землю, чтобы колонизировать новое место, говорит Каллен Буйе, доцент и руководитель отдела развития карьеры Эстер и Гарольда Эдергтон. на факультете машиностроения.
«Представьте, что у вас есть растение, зараженное патогеном в определенной области, и этот патоген распространился на местную почву», - говорит Буйе. «Теперь мы обнаружили, что дождь может еще больше распространить его. Искусственные капли из спринклерных систем также могут привести к такому типу рассеивания. Таким образом, это [исследование] имеет значение для того, как вы можете сдерживать патоген».
Кроме того, команда подсчитала, что осадки по всему миру могут быть причиной от 1 до 25 процентов общего количества бактерий, выбрасываемых с суши.
Соавторы Buie - постдоктор Жифей Гэ и бывший постдокторант и ведущий автор Янгсу Джун.
Вслед за ростом
В 2015 году Буйе и его коллеги определили механизм, с помощью которого дождь производит аэрозоли: когда падающая капля соприкасается с землей, она захватывает крошечные пузырьки воздуха на поверхности земли, которые поднимаются вверх и прорываются сквозь каплю. создавая брызги из гораздо более мелких капель воды или аэрозолей. В то время группа предположила, что этот механизм может объяснить происхождение «петрикора» - характерного землистого запаха, который часто следует за ливнем.
Вскоре после того, как группа опубликовала свои результаты, группа британских ученых связалась с Буйе, чтобы узнать, может ли тот же механизм дождей способствовать распространению бактерий, в частности Burkholderia pseudomallei, бактерии, которая живет в почве и, как известно, вызывают легочные инфекции у людей, известные как мелиодоз.
«Они заметили качественный всплеск числа инфекций, вызываемых этой болезнью, после дождя, и они предположили, что эта конкретная почвенная бактерия рассеивается в воздухе после дождя», - говорит Буйе.
Запрос группы пробудил любопытство Буи относительно того, может ли дождь способствовать распространению бактерий в целом.
«Это было одним из первых побуждений, побудивших нас даже провести некоторые из этих экспериментов, чтобы увидеть, могут ли бактерии в целом быть рассеяны и оставаться живыми во время процесса», - говорит Буйе.
Правильная скорость
В лаборатории команда изучила влияние дождя на три непатогенных вида почвенных бактерий, которые они внедрили в шесть типов сухой почвы, включая глину, песчаную глину и песок.
Исследователи смоделировали дождь, разливая отдельные капли воды с различной высоты через отверстие небольшого диска, который был помещен прямо над образцом почвы, чтобы уловить любые аэрозоли, вырывающиеся с поверхности. Они варьировали температуру поверхности почвы, а также высоту, на которой выбрасывалась капля, чтобы ускорить или замедлить скорость удара капли, тем самым имитируя ливень определенной интенсивности.
Они обнаружили, что капли производят наибольшее количество аэрозолей в почвах с температурой около 86 градусов по Фаренгейту, подобно почвам в тропических регионах. Капли также производили больше аэрозолей при распылении на песчано-глинистых почвах; песок имел тенденцию полностью поглощать капли до того, как могли образоваться какие-либо пузырьки или аэрозоли. Исследователи также наблюдали большее количество аэрозолей, когда капли падали со скоростью от 1,4 до 1,7 метра в секунду, что примерно соответствует интенсивности легкого ливня..
«При такой оптимальной скорости вода проникает в почву, не разбрызгиваясь, но достаточно быстро, чтобы задерживать воздух», - объясняет Буйе. «Захваченный воздух высвобождается в виде пузырьков, которые лопаются, высвобождая аэрозоли. Мы обнаружили взаимосвязь между распределением размера аэрозоля и количеством лопнувших пузырьков».
Команда собрала аэрозоли, распыленные на маленький диск, и перенесла их в чашки для культивирования, чтобы подсчитать количество бактерий в каждом аэрозоле. Они обнаружили, что количество бактерий варьируется от нуля до нескольких тысяч в одной дождевой капле, в зависимости от типа почвы, плотности бактерий в данной почве, температуры почвы и скорости удара дождевой капли.
Сделав еще один шаг, команда определила три основных параметра, необходимых для оценки общего количества бактерий или других частиц, которые могут быть рассеяны одной дождевой каплей, попадающей на пористую поверхность: плотность как бактерий, так и пузырьков воздуха на данной поверхности, и параметр, который они называют эффективностью аэрозолизации - отношение числа бактерий на поверхности к числу бактерий, которые в конечном итоге рассеиваются с этой поверхности.
Используя эти три параметра, а также оценки общей площади суши в мире и характера осадков, исследователи подсчитали, что общее количество бактерий, рассеиваемых дождевыми каплями, может варьироваться от 10 000 триллионов до 800 000 триллионов клеток в год.. В результате глобальные осадки могут способствовать высвобождению 1. От 6 до 25 процентов от общего количества бактерий с суши.
«Необходимы дальнейшие исследования, чтобы сузить диапазон глобального выброса бактерий дождем, но образование аэрозолей дождем может быть основным механизмом переноса бактерий в окружающую среду», - говорит Юнг. «Будущая работа над этими выводами может дать новые подсказки для отслеживания переносимых через почву бактерий, ответственных за инфекции у людей, животных и растений, а также воздействия на климат из-за образования облаков и образования кристаллов льда».