爆裂氣泡將細(xì)菌從水中傳播到空氣中

只要有水，水面就會(huì)有氣泡漂浮。從站立的水坑、湖泊和溪流到游泳池、熱水浴缸、公共噴泉和廁所，無(wú)論室內(nèi)還是室外，泡泡無(wú)處不在。

麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)新研究表明，被細(xì)菌污染的氣泡如何被用作微小的微生物手雷，使水中的微生物(包括潛在的病原體)爆裂并釋放到空氣中。

在發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)雜志上的這項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌會(huì)影響泡沫的持久性：漂浮在水面上的細(xì)菌覆蓋的泡沫可以比未污染的泡沫長(zhǎng)10倍以上，持續(xù)幾分鐘而不是幾秒鐘，在此期間，被污染的泡沫的蓋子會(huì)變薄。當(dāng)氣泡不可避免地破裂時(shí)，氣泡越薄，釋放到空氣中的液滴就越多。研究人員估計(jì)，一個(gè)液滴可以攜帶數(shù)千個(gè)微生物，每個(gè)氣泡可以釋放數(shù)百個(gè)液滴。

土木與環(huán)境工程助理教授、疾病傳播實(shí)驗(yàn)室流體力學(xué)主任莉迪亞布魯伊巴(Lydia Bourouiba)說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可以通過(guò)一種可以增強(qiáng)自身水-空氣擴(kuò)散的方式來(lái)操縱界面。

論文的合著者是研究生夏羽普萊恩。

水里的東西

在過(guò)去的幾年里，Bourouiba一直在精心制作、成像和表征干凈和未污染的氣泡，目標(biāo)是建立正常氣泡行為的基線。

Bourouiba說(shuō)：“在添加細(xì)菌和其他生物之前，我們必須首先了解清洗氣泡的物理特性，看看它們對(duì)系統(tǒng)有什么影響。

事實(shí)上，研究人員最初發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的影響是偶然的。這個(gè)團(tuán)隊(duì)正在搬到一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)室空間。在洗牌過(guò)程中，一個(gè)裝有水的燒杯被打開(kāi)。當(dāng)研究人員在隨后的實(shí)驗(yàn)中使用它時(shí)，結(jié)果并不符合研究小組的預(yù)期。

“與典型的干凈氣泡相比，這種水產(chǎn)生的氣泡壽命更長(zhǎng)，并且具有特殊的稀薄變化，”普萊恩說(shuō)。

Bourrouilh懷疑水被污染了，研究小組很快證實(shí)了她的假設(shè)。他們分析了水，發(fā)現(xiàn)了房間里自然存在細(xì)菌的證據(jù)。

果汁效應(yīng)

為了直接研究細(xì)菌對(duì)氣泡的影響，研究小組進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們?cè)谥永镅b滿了水和各種細(xì)菌種類(包括大腸桿菌)。研究人員開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)，通過(guò)氣泵在色譜柱內(nèi)產(chǎn)生氣泡，一次一個(gè)，以控制每個(gè)氣泡的體積和大小。當(dāng)氣泡上升到表面時(shí)，該團(tuán)隊(duì)使用高速成像和一系列光學(xué)技術(shù)來(lái)捕捉表面的行為并破裂。

研究人員觀察到，一旦被大腸桿菌污染的氣泡進(jìn)入水面，它們自己的表面或瓶蓋就會(huì)立即開(kāi)始變薄，主要是通過(guò)排水和回流，就像融化的巧克力殼一樣。這種行為類似于未受污染的氣泡。

然而，污染氣泡在表面的殘留時(shí)間比未污染氣泡長(zhǎng)10倍以上。過(guò)了一個(gè)關(guān)鍵期，充滿細(xì)菌的氣泡開(kāi)始變薄得更快。Bourouiba懷疑可能不是細(xì)菌本身，而是它們分泌的細(xì)菌，可以使泡沫保持更長(zhǎng)時(shí)間。

Bourouiba說(shuō)：“細(xì)菌是活的，就像生物一樣，它們會(huì)造成廢物，廢物通常會(huì)與泡沫的界面相互作用?！八晕覀儼焉飳W(xué)和‘果汁’分開(kāi)了?！?

研究人員從他們的分泌物中去除細(xì)菌，然后用細(xì)菌的分泌物重復(fù)實(shí)驗(yàn)。正如Bourrouilh所懷疑的，只含有分泌物的氣泡比清潔氣泡持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)得多。該小組得出結(jié)論，分泌物一定是延長(zhǎng)泡沫壽命的關(guān)鍵因素。但那又怎么樣呢？

同樣，Bourouiba也有一個(gè)假設(shè)：細(xì)菌分泌物可能起到降低氣泡表面張力的作用，使其更有彈性，更能抵抗擾動(dòng)，最后，它們?cè)谒嫔系膲勖L(zhǎng)。她指出，這種行為類似于表面活性化合物或表面活性劑，例如用于制造肥皂泡的洗滌劑中的化合物。

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，研究人員重復(fù)了這些實(shí)驗(yàn)。這一次，通過(guò)替換合成表面活性劑的常見(jiàn)細(xì)菌，發(fā)現(xiàn)它們也會(huì)產(chǎn)生持久的氣泡，一段時(shí)間后氣泡也會(huì)急劇變細(xì)。實(shí)驗(yàn)證明，細(xì)菌的分泌物起到表面活性劑的作用，延長(zhǎng)了污染氣泡的壽命。

然后，研究人員尋找污染氣泡稀釋率劇烈變化的解釋。在干凈的氣泡中，蓋子變薄主要是排水的結(jié)果，因?yàn)樯w子中的大部分水隨著上升的泡沫被排回到液體中。這種氣泡持續(xù)幾秒鐘左右，當(dāng)氣泡變薄時(shí)，其排水速度不斷減慢。

但是，如果泡沫持續(xù)超過(guò)臨界時(shí)間，蒸發(fā)開(kāi)始發(fā)揮比排水更重要的作用，基本上切斷了泡沫帽上的水分子。研究人員得出的結(jié)論是，如果氣泡中含有細(xì)菌、細(xì)菌及其分泌物，氣泡會(huì)在水面上形成很長(zhǎng)時(shí)間——時(shí)間長(zhǎng)到足以使蒸發(fā)變得比排水更重要。

隨著泡沫帽變薄，當(dāng)它不可避免地破裂時(shí)，噴出的液滴變得更小、更快、更多。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，含有細(xì)菌的氣泡可以產(chǎn)生10倍以上的液滴，比清洗氣泡產(chǎn)生的氣泡小10倍，噴射速度快10倍。這相當(dāng)于數(shù)百個(gè)液滴，大小只有幾十微米，以每秒10米的速度發(fā)射。

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