[论文解读] 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 39

一句话总结

本研究揭示了一种在蠕流（Re ≈ 10⁻³）中由絮体介导的快速细菌丝状结构形成机制，其中预先形成的铜绿假单胞菌絮体附着于微柱上，并在水动力剪切作用下于1秒内发生形变，形成丝状流挂结构。与耗时数小时的生物膜介导流挂结构不同，该过程由絮体中大尺度可恢复弹性应变驱动，导致微流控器件中突发性阻塞，且流挂结构表现出更长时间尺度的黏性松弛行为。

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.

研究动机与目标

• 研究低雷诺数流动中细菌丝状结构形成的机制。
• 确定预先形成的絮体是否可独立于生物膜发育而引发快速丝状结构形成。
• 量化由絮体形成的丝状结构的形成时间尺度、形变动力学及黏弹性响应。
• 评估该机制对微流控器件阻塞的影响。

提出的方法

• 采用带有交错排列50 µm PDMS微柱阵列的微流控装置，以实现蠕流（Re ≈ 10⁻³）。
• 利用双色荧光追踪絮体动力学：GFP标记的铜绿假单胞菌与嵌入胞外聚合物（EPS）中的200 nm红色荧光聚苯乙烯微球。
• 通过粒子追踪测量应变演化，计算拉伸比与主速度梯度张量。
• 使用Comsol Multiphysics®进行计算流体动力学（CFD）模拟，采用不可压缩的纳维-斯托克斯方程与连续性方程。
• 计算无量纲速度梯度张量，并提取主特征值（1L）以量化局部形变。
• 通过延时成像实时监测表面覆盖率及阻塞进程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在蠕流中，是什么触发了快速丝状结构的形成？其与生物膜介导的丝状结构形成有何不同？
• RQ2 预先形成的细菌絮体是否可独立于生物膜发育而引发丝状结构形成？
• RQ3 絮体在丝状结构形成过程中的形变特性（弹性与黏性）如何？
• RQ4 丝状结构的形成速度如何？其随时间的黏弹性响应特征是什么？
• RQ5 絮体介导的丝状结构形成在多大程度上导致微通道阻塞？

主要发现

• 由絮体形成的丝状结构形成时间不足1秒，与耗时数小时的生物膜介导丝状结构形成形成鲜明对比。
• 絮体形变主要由初始阶段的可恢复大弹性应变主导，表明其具有显著的黏弹性特性。
• 在完全形成的丝状结构中，主速度梯度（1L）保持近似恒定，表明处于稳态形变状态。
• 丝状结构表现出比其形成时间更长的时间尺度的黏性松弛行为，表明其非弹性行为。
• 快速丝状结构形成导致灾难性阻塞，表面覆盖率在初始积累后30分钟内从5%急剧上升至37%。
• 絮体优先在微柱的上游驻点位置附着，每个柱体上游半侧的附着概率为50%。