[論文レビュー] Bacterial floc mediated rapid streamer formation in creeping flows

Mahtab Hassanpourfard, Zahra Nikakhtari+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2015

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 34被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、低レイノルズ数の流れ（Re ≈ 10⁻³）において、事前に形成されたパラムオネルス・フラオレスケンス菌の凝集体がマイクロピラーに付着し、流体力学的せん断力によって1秒未塔で糸状のストリーマーに変形する、迅速な凝集体媒介型バクテリアストリーマ形成機構を明らかにした。生物膜によるストリーマ形成（数時間）とは異なり、このプロセスは凝集体に大きな回復可能な弾性ひずみが蓄積されていることに起因し、マイクロフラウドデバイスにおける急激なつまりを引き起こす。ストリーマーは、形成時間よりも長いスケールで粘性緩和を示す。

ABSTRACT

One of the central puzzles concerning the interaction of low Reynolds number (Re<<1) fluid transport with bacterial biomass is the formation of filamentous structures called streamers. In this manuscript, we report our discovery of a new kind of low Re bacterial streamers, which appear from pre-formed bacterial flocs. In sharp contrast to the biofilm-mediated streamers, these streamers form over extremely small timescales (less than a second). Our experiments, carried out in a microchannel with micropillars rely on fluorescence microscopy techniques to illustrate that floc-mediated streamers form when a freely-moving floc adheres to the micropillar wall and gets rapidly sheared by the background flow. We also show that at their inception the deformation of the flocs is dominated by recoverable large strains indicating significant elasticity. These strains subsequently increase tremendously to produce filamentous streamers. Interestingly, we find that these fully formed streamers are not static structures and show viscous response at time scales larger than their formation time scales. Finally we show that such novel streamer formation can lead to rapid clogging of microfluidic devices.

研究の動機と目的

• 低レイノルズ数の流れにおけるバクテリアストリーマ形成のメカニズムを調査すること。
• 事前に形成された凝集体が、生物膜の発達を経ずに迅速なストリーマ形成を引き起こせるかどうかを特定すること。
• 凝集体から形成されたストリーマーの時間スケール、変形ダイナミクス、および粘弾性応答を定量すること。
• このメカニズムがマイクロフラウドデバイスのつまりに与える影響を評価すること。

提案手法

• 滑らかでない配列の50 µmのPDMSマイクロピラーを有するマイクロフラウドデバイスを用い、クリーピングフロー（Re ≈ 10⁻³）を生成した。
• 二色蛍光を用いて凝集体の動態を追跡した：GFP標識P. fluorescensと、EPSに埋め込まれた200 nmの赤色蛍光ポリスチレンビーズ。
• 粒子追跡によりひずみの変化を測定し、ストレッチ比と主速度勾配テンソルを計算した。
• 非圧縮性ナビエ＝ストークス方程式と連続の法則を用いて、計算流体力学（CFD）をComsol Multiphysics®でシミュレーションした。
• 次元なし速度勾配テンソルを計算し、主固有値（1L）を抽出して局所的変形を定量化した。
• 時間分解画像を用いて、リアルタイムでの表面被覆率とつまり進行をモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クリーピングフローにおける迅速なストリーマ形成の原因は何であり、生物膜媒介ストリーマ形成とはどのように異なるか？
• RQ2 事前に形成されたバクテリア凝集体が、生物膜の発達を経ずにストリーマを誘発できるか？
• RQ3 ストリーマ形成過程における凝集体の変形特性（弾性的か粘性的か）は何か？
• RQ4 ストリーマーはどのくらいの速さで形成され、時間経過とともにどのような粘弾性応答を示すか？
• RQ5 凝集体媒介ストリーマ形成がマイクロチャネルのつまりにどの程度寄与するか？

主な発見

• 凝集体からのストリーマ形成は1秒未塔で発生し、生物膜によるストリーマ形成（数時間）とは顕著な対比を示す。
• 凝集体の変形は、初期段階で回復可能な大きな弾性ひずみが支配的であり、顕著な粘弾性を示している。
• 完全に形成されたストリーマーでは、主速度勾配（1L）が概ね一定を保ち、安定状態の変形を示している。
• ストリーマー構造は、形成時間よりも長いスケールで粘性緩和を示しており、非弾性挙動を示している。
• 迅速なストリーマ形成は、初期蓄積後30分未塔で表面被覆率が5％から37％に急増する深刻なつまりを引き起こす。
• 凝集体はマイクロピラーの上流の静止点に特に付着し、各ピラーの上流半分での付着確率は50％であった。