[논문 리뷰] Bacterial floc mediated rapid streamer formation in creeping flows

Mahtab Hassanpourfard, Zahra Nikakhtari외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 01.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 34인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 낮은 레이놀즈 수 흐름(Re ≈ 10⁻³)에서 박테리아 스트리머 형성의 빠른, 흐름 매개 메커니즘을 규명한다. 여기서 사전 형성된 페세우도몬스 플루오레스센스 응집체(flocs)가 마이크로피라미드에 부착되어 유체역학적 전단력에 의해 1초 이내로 필라멘터스러운 스트리머로 변형된다. 생물막 매개 스트리머(수시간)와는 달리, 이 과정는 응집체 내에서 큰 복원 가능한 탄성 변형에 의해 주도되며, 이는 마이크로유체 장치에서 급격한 막힘을 유도한다. 스트리머는 더 긴 시간스케일에서 점성 회복을 보이며, 비탄성 거동를 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저레이놀즈 수 흐름에서 박테리아 스트리머 형성 메커니즘을 조사하기 위해.
• 생물막이 아닌 사전 형성된 응집체가 빠른 스트리머 형성의 원인이 될 수 있는지 확인하기 위해.
• 응집체에서 형성된 스트리머의 시간스케일, 변형 역학, 점탄성 반응을 정량화하기 위해.
• 이 메커니즘이 마이크로유체 장치의 막힘에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• creeping flow(Re ≈ 10⁻³)를 생성하기 위해 50 µm PDMS 마이크로피라미드를 격자형으로 배열한 마이크로유체 장치를 사용하였다.
• GFP로 표지된 P. fluorescens와 EPS에 내장된 200 nm 빨간색 형광 폴리스티렌 비드를 이중형 형광으로 사용하여 응집체 동역학을 추적하였다.
• 입자 추적을 통해 변형 진도를 측정하고, 스트레치 비율 및 주속도 기울기 텐서를 계산하였다.
• 비압축성 레이놀즈-나비에르-스토크스 방정식과 연속 방정식을 사용하여, Comsol Multiphysics®를 활용한 유체역학적 유한요소 해석(CFD)을 수행하였다.
• 비차원화된 속도 기울기 텐서를 계산하고, 국소 변형을 정량화하기 위해 주고유값(1L)을 추출하였다.
• 시간 간격 촬영을 통해 실시간 표면 커버리지 및 막힘 진행 상황을 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저레이놀즈 수 흐름에서 빠른 스트리머 형성의 촉진 요인은 무엇이며, 생물막 매개 스트리머 형성과 어떻게 다를까?
• RQ2 사전 형성된 박테리아 응집체가 생물막 형성 없이도 스트리머를 유도할 수 있는가?
• RQ3 스트리머 형성 과정에서 응집체의 변형 특성(탄성 대 점성)은 어떠한가?
• RQ4 스트리머는 얼마나 빠르게 형성되며, 시간이 지남에 따라 점탄성 반응은 어떻게 되는가?
• RQ5 응집체 매개 스트리머 형성은 마이크로채널 막힘에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 응집체에서 기인한 스트리머 형성은 1초 이내로 발생하며, 생물막 매개 스트리머가 수시간에 걸쳐 형성되는 것과는 뚜렷한 대비를 이룬다.
• 응집체의 변형은 기초 단계에서 복원 가능한 큰 탄성 변형에 의해 지배되며, 뚜렷한 점탄성 거동를 나타낸다.
• 완전히 형성된 스트리머에서는 주속도 기울기(1L)가 약 일정하게 유지되며, 안정된 상태의 변형을 나타낸다.
• 스트리머 구조는 형성 시간보다 더 긴 시간스케일에서 점성 회복을 보이며, 비탄성 거동를 나타낸다.
• 빠른 스트리머 형성은 치명적인 막힘을 유도하며, 초기 축적 이후 30분 이내에 표면 커버리지가 5%에서 37%로 급격히 증가한다.
• 응집체는 마이크로피라미드의 상류 정체점에 선호적으로 부착되며, 각 피라미드의 상류 반쪽에서 50%의 부착 확률을 보였다.