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爆裂的气泡将细菌从水中释放到空气中

只要有水,就会有浮在水面上的气泡。从站立的水坑,湖泊和溪流,到游泳池,热水浴池,公共喷泉和厕所,气泡无处不在,无论室内还是室外。

麻省理工学院的一项新研究表明,被细菌污染的气泡如何充当微小的微生物手榴弹,破裂并将微生物(包括潜在的病原体)从水中释放到空气中。

在发表在“物理评论快报”杂志上的这项研究中,研究人员发现,细菌可以影响泡沫的持久性:漂浮在水面上的细菌覆盖的泡沫可以比未受污染的细菌长10倍以上,持续数分钟而不是几秒钟在此期间,受污染的泡沫的上限变薄。气泡越薄,当气泡不可避免地爆裂时,它可以喷射到空气中的液滴数量越多。研究人员估计,单个液滴可以携带多达数千种微生物,每个气泡可以释放数百个微滴。

“我们发现细菌可以以一种可以增强自身水 - 空气扩散的方式操纵界面,”土木与环境工程助理教授兼疾病传播实验室流体动力学主任Lydia Bourouiba说。

Bourouiba在论文中的合着者是研究生Stephane Poulain。

在水中的东西

过去几年,Bourouiba一直在精心生成,成像和表征清洁,未受污染的气泡,目标是建立正常气泡行为的基线。

“我们首先必须了解清洁气泡的物理特性才能添加细菌等生物,看看它们对系统有什么影响,”Bourouiba说。

事实上,研究人员首先偶然发现了细菌的影响。团队正在搬到一个新的实验室空间,在洗牌中,一个烧杯水被打开了。当研究人员在随后的实验中使用它时,结果不是团队预期的结果。

“这种水产生的气泡寿命更长,与典型的清洁水泡相比,具有特殊的稀疏变化,”Poulain说。

布鲁伊巴怀疑水已被污染,该团队很快证实了她的假设。他们分析了水,发现了室内天然存在的细菌的证据。

果汁效果

为了直接研究细菌对气泡的影响,该团队开展了一项实验,在该实验中,他们用水和各种细菌物种(包括大肠杆菌)填充柱子。研究人员开发了一种系统,通过气泵,一次一个,在色谱柱内部产生气泡,以控制每个气泡的体积和大小。当气泡上升到表面时,该团队使用高速成像和一系列光学技术来捕捉其表面和爆裂时的行为。

研究人员观察到,一旦被大肠杆菌污染的气泡进入水面,其自身表面或帽子立即开始变薄,主要是通过排水回流,就像融化的巧克力壳一样。这种行为类似于未受污染的气泡。

但受污染的气泡在表面上的残留时间比未受污染的气泡长10倍以上。经过一段关键时期后,充满细菌的气泡开始变薄更快。Bourouiba怀疑它可能不是细菌本身,而是它们分泌的东西,它将气泡保持在原位更长时间。

“细菌是活着的,就像活着的东西一样,它们会造成浪费,而废物通常会与泡沫的界面相互作用,”Bourouiba说。“所以我们将生物与'果汁'分开了。”

研究人员从他们的分泌物中清除细菌,然后使用细菌的分泌物重复他们的实验。就像布鲁伊巴所怀疑的那样,仅含有分泌物的气泡比清洁气泡持续的时间要长得多。该小组总结说,分泌物必须是延长泡沫寿命的关键因素。但是怎么样?

同样,Bourouiba有一个假设:细菌分泌物可能起到减少气泡表面张力的作用,使其更具弹性,更能抵抗扰动,最终,更有可能在水面上长寿。她指出,这种行为类似于表面活性化合物或表面活性剂,例如制造肥皂泡的洗涤剂中的化合物。

为了测试这个想法,研究人员重复了这些实验,这次通过更换普通合成表面活性剂的细菌,发现它们也产生了持久的气泡,在一段时间后也会显着变薄。该实验证实,细菌的分泌物充当表面活性剂,延长了污染气泡的寿命。

然后,研究人员寻找一个解释污染气泡变薄率的急剧变化。在干净的气泡中,盖子的变薄主要是排水的结果,因为盖子中的水大部分排回到泡沫上升的液体中。这种气泡大约几秒钟,当气泡变薄时,它们的排水速度不断减慢。

但如果泡沫持续超过关键时间,蒸发开始起到比排水更重要的作用,基本上从泡沫帽上刮掉水分子。研究人员得出结论认为,如果气泡中含有细菌,细菌及其分泌物,则会在水面上形成一个泡沫持续时间更长 - 足以使泡沫变薄比排水更重要。

随着泡沫帽的变薄,当它不可避免地爆裂时喷出的液滴变得更小,更快,更多。研究小组发现,一个含有细菌的气泡可以产生10倍以上的液滴,这些液滴比清洁气泡产生的液泡小10倍并且喷射速度快10倍。这相当于数百个液滴,其尺寸仅为几十微米,并且以每秒10米的速度发射。

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