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最常见的水泡破裂,竟也会造成细菌传播

最常见的水泡破裂,竟也会造成细菌传播-爱尖刀

水泡,是一种随处可见的东西。无论是水坑、湖泊、溪流、游泳池、热水浴池、喷泉,还是公共厕所,只要有水,就能看到浮在水面上的水泡。

 

最常见的水泡破裂,竟也会造成细菌传播-爱尖刀

(来源:MIT)

 

根据 11 月 5 号发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)报道,麻省理工学院的一项新研究表明,被细菌污染的水泡在破裂时会将微生物(包括潜在的病原体)释放到空气中,就如一枚装载微生物的小手榴弹爆炸一般。

 

研究人员发现,细菌的存在会影响水泡的稳定性:被细菌污染的水泡比未受污染的水泡稳定高 10 倍以上,前者能稳定存在数分钟,而后者往往只能稳定存在几秒。在这几分钟内,被污染的水泡液膜会变得越来越薄。液膜越薄,爆裂时喷射到空气中的微液滴数量就越多

 

据估计,一个液滴可以携带数千种微生物,而每个水泡可以释放数百个微滴。“我们发现,细菌能主动去改造水气界面,使之更有利于它们的释放。”该论文作者之一、疾病传播流体动力学实验室主任 Lydia Bourouiba 说。

 

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图 | 当水泡破裂时,液膜会碎成许多小液滴。(来源:MIT)

 

水中的某种东西

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在过去的几年里,Bourouiba 对纯净未受污染的水泡进行了全面的研究,包括制作,成像到表征,并建立了正常水泡的行为学

 

“我们必须先了解纯净水泡的物理特性,接下来才能考察添加细菌等生物后,水泡的物理学特性会有什么改变。”Bourouiba 说。

 

事实上,这个奇特的发现也是纯属巧合。当时,团队刚搬到一个新的实验室。在搬运过程中,一个盛有水的烧杯不小心被敞露在空气中。后来,研究人员发现使用这个烧杯没能得到预期的实验结果。

 

“与纯净水泡相比,这个烧杯的水产生的水泡寿命更长。”Poulain 说。

 

Bourouiba 怀疑可能是因为该烧杯中的水被污染了,然后她的团队很快证实了她的猜想是对的。

 

分泌物效应

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为了直接研究细菌对水泡的影响,该团队先用含有各种细菌(包括大肠杆菌)的水填充柱子。接着他们通过气泵,使柱子内部以一次一个的速率产生水泡,有效地控制每个水泡的体积和大小。当水泡上升到表面时,该团队使用高速成像和一系列光学技术来捕捉其表面和破裂行为。

 

研究人员发现,一旦被大肠杆菌污染的水泡进入水面,其液膜立即开始变薄。变薄的机制主要是通过向水中排水,就像融化的巧克力壳一样。虽然这种行为类似于纯净水泡,但受污染的水泡在水面上的停留时间比纯净水泡长 10 倍以上。过了某一个时间点后,受污染的水泡变薄的速度突然加快。Bourouiba 怀疑可能是细菌分泌的一些东西,而不是它们本身,增加了水泡的稳定性。

 

“和所有活的生物一样,细菌会产生废物,而它们产生的废物很有可能是会与水气界面相互作用的物质。”Bourouiba 说。“所以,接下来,我们试着把细菌和它们的分泌物分开。”

 

研究人员把细菌从细菌分泌物中清除,然后用细菌的分泌物重复他们的实验。就像 Bourouiba 猜想得那样,仅含有分泌物的水泡比纯净水泡持续的时间要长得多。于是,该小组得到结论:细菌分泌物是延长水泡寿命的关键因素。但是分泌物是如何实现它的奇特功能的呢?

 

Bourouiba 又提出一个假设:细菌分泌物可能可以减小水泡表面张力,使其更具弹性,更能抵抗扰动,最终,在水面上稳定时间变长。她指出,细菌分泌物的作用可能和表面活性剂(如洗涤剂中的起泡剂)类似。

 

为了验证这个猜想,研究人员把细菌分泌物换成了普通的表面活性剂,发现水泡稳定性明显增加,并且在一段时间后液膜也会显著变薄。该实验证实,细菌的分泌物可以充当表面活性剂延长了污染水泡的寿命

 

接下来,研究人员开始探寻受污染水泡液膜急剧变薄的原因。对于纯净水泡,液膜变薄主要是膜中的水不断排到外环境中的后果,当水泡变薄时,它们的排水速度也会不断减慢。

 

但如果水泡寿命超过某一个点后,液膜的蒸发失水将占主导性作用。研究人员认为,这也就是受污染水泡过了某个时间点,液膜急剧变薄的原因。

 

液膜越薄水泡破裂时喷出的液滴越小数量越多喷速越快。Bourouiba 团队发现,和纯净水泡相比,一个含有细菌的水泡产生的液滴数量多了 10 倍以上,体积小了 10 倍,而喷射速度了快 10 倍。更形象地说,就像微型手榴弹一样:尺寸仅为几十微米的数百个液滴以每秒 10 米的速度发射到空气中。

 

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图 | 水泡破裂时,液滴被射到空气中。(来源:MIT)

 

“Bourouiba 团队发现的这种新机制,其实在海洋表面的许多过程也很常见。”休斯顿大学机械工程教授 Andrea Prosperetti 说。“这些微小液滴的大小决定了它们是否能很好地被风传播。这一种新机制在气候和天气中有着重要的应用意义。此外,海洋中漏油产生的微小薄膜油滴携带着许多有害化学物质,可被沿海地区的人和动物吸入。因此,可以说,这些不起眼的微小液滴在许多至关重要的过程中有着巨大的影响。”


 -End-


编辑:包纯洁  责编 XHR

参考:

https://news.mit.edu/2018/bubbles-bacteria-water-air-1114

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