Микробы чаще прилипают к стенкам труб при движении воды

Новое исследование показало, что течение воды затрудняет движение бактерий, увеличивая вероятность их прикрепления к поверхностям. Это открытие может иметь значение для изучения морских экосистем и понимания того, как возникают инфекции в медицинских устройствах.

Результаты, полученные с помощью микроскопического анализа бактерий внутри микрофлюидных устройств, опубликованы в журнале Nature Physics. Авторы работы: постдок MIT Роберто Рускони, бывший постдок MIT Джеффри Гуасто (ныне доцент машиностроения в Университете Тафтса) и доцент гражданского и экологического строительства MIT Роман Штокер.

Исследование, сочетавшее экспериментальные наблюдения с математическим моделированием, показало, что поток жидкости оказывает два значимых эффекта на микробов: «Он подавляет способность микробов преследовать пищу и помогает микробам находить поверхности», — говорит Штокер.

Второй эффект может быть особенно полезен: в некоторых случаях это явление может привести к новым подходам по настройке скорости потока для предотвращения обрастания поверхностей микробами — потенциально позволяя избежать всего: от закрепления бактерий на медицинском оборудовании до увеличения сопротивления корпуса судна из-за биоплёнок.

Влияние текущей воды на плавание бактерий стало «полной неожиданностью», отмечает Штокер. «Мои собственные ранние предсказания о том, что произойдет, когда микробы будут плыть в текущей воде, были: "Ничего особо интересного"».

Хотя большинство микроорганизмов живут в текущей жидкости, большинство исследований их поведения игнорируют поток. Новые данные показывают, что «любое исследование микробов, взвешенных в жидкости, не должно игнорировать, что движение этой жидкости может иметь важные последствия для микробов».

Команда обнаружила, что плавающие бактерии скапливаются в зонах «высокого сдвига» в потоке — областях, где скорость жидкости меняется наиболее резко. Такие зоны возникают в большинстве типов течений и во многих средах обитания бактерий. Одно из ключевых мест — у стенок труб, где результатом является сильное усиление тенденции бактерий прилипать к этим стенкам и формировать биоплёнки.

Однако этот эффект сильно варьируется в зависимости от скорости потока, что открывает возможность регулирования скорости образования биоплёнок путём увеличения или уменьшения скорости течения.

Понимание этого может помочь в проектировании медицинского оборудования для снижения таких инфекций. Поскольку явление достигает пика при определённых скоростях сдвига, «наши результаты могут предложить дополнительные критерии проектирования для биомедицинских устройств, которые должны работать вне этого диапазона скоростей сдвига, когда это возможно — либо быстрее, либо медленнее», — говорит Гуасто.

«Биоплёнки встречаются повсюду», — добавляет Рускони. Они вызывают серьёзные проблемы в промышленных условиях, например, засоряя трубы или снижая эффективность теплообменников. Их прикрепление также является серьёзной проблемой для здоровья: бактерии, сконцентрированные в биоплёнках, в 1000 раз более устойчивы к антибиотикам, чем взвешенные в жидкости.

Концентрация микробов в зонах сдвига — это эффект, который происходит только с теми, кто может контролировать своё движение. Неживые частицы аналогичного размера и формы не проявляют такого эффекта, как и неподвижные бактерии, пассивно уносимые водой. «Без подвижности бактерии распределены повсюду, и нет предпочтительного накопления», — поясняет Рускони.

Новые результаты также могут быть важны для изучения морских микробных экосистем, влияя на то, как бактерии движутся в поисках питательных веществ с учётом повсеместных течений и турбулентности. Хотя исследователи изучали только два типа бактерий, они предсказывают в своей статье, что «это явление должно в очень широкой степени применяться ко многим различным подвижным микробам».

На самом деле, у явления нет внутреннего ограничения по размеру, и оно может применяться к широкому спектру организмов, говорит Гуасто. «В этом отношении нет ничего особенного в бактериях по сравнению со многими другими плавающими клетками. Это явление может легко применяться к широкому спектру планктона и сперматозоидов».