مطالعه تغییرات جریان‌پذیری و خواص سطحی سامانه فعال باکتری اشریشیا کلی/آب/پلی‌وینیل‌پیرولیدن

نویسندگان

گروه مهندسی پلیمر، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده
چبررسی رفتار جریان‌های حاوی ذرات فعالی همچون باکتری، موضوع جدیدی است که توانایی تعریف در کاربردهای گسترده را دارد. تحرک محلول باکتری، به‌دلیل نیروی هیدرودینامیک، نیروی برشی در اطراف سلول ایجاد می‌کند که بر رفتار سیال تاثیر می‌گذارد. در این تحقیق برای بررسی رفتار باکتری اشریشیا کلی در محیط آب/پلیمر با استفاده از رئومتر برشی، تغییرات گرانروی محلول بررسی شد. در مطالعه حاضر، با انتخاب غلظت (۰/۰۱گرم بر میلی‌لیتر) و وزن مولکولی مناسب از پلی‌وینیل‌پیرولیدن (۳۶۰کیلودالتون)، فعالیت باکتری اشریشیا کلی در آزمون رئومتری و باسرعت‌های برشی مختلف بررسی شد. همچنین، تاثیر حضور سه گونه باکتریایی اشریشیا کلی، استوباکتر گزیلینوم و استافیلوکوکوس اورئوس در میزان تنش بین سطحی سیال، به کمک آزمون ویلهلمی بررسی شد. فعالیت باکتری سبب کاهش گرانروی محلول نسبت به محلول عاری از باکتری می‌شود. همچنین داده‌های گرانروی نسبی محلول در محدوده وسیعی از سرعت‌های برشی و در رقت‌های مختلف باکتری، تحلیل شد؛ آن گونه که گرانروی نسبی در حالت رقیق و سرعت‌های برشی کم (یک‌برثانیه)، کمتر از یک و در سرعت‌های برشی بیشتر، افزایش یافته است. در این پژوهش، به‌منظور تحلیل و ارتباط حرکت جمعی، کسر حجمی باکتری ۰/۸ شد. همچنین، اگر چه میزان کاهش کشش سطحی در سه محلول باکتریایی مقادیر متفاوتی نشان دادند، اما روند کاهش تنش سطحی در آنها، می‌تواند شاهدی بر تاثیر فعالیت باکتری بر رفتار جریان‌پذیری سیال باشد. فعالیت باکتری اشریشیا کلی سبب سهولت جریان‌پذیری سیال در محدوده سرعت‌های برشی کم می‌شود. مشاهده گرانروی کاهش یافته در این ذره فعال می‌تواند کاربردهای جدیدی را با توجه به کاهش انرژی مورد نیاز برای جریان‌پذیری آن تعریف نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Gachelin J, Miño G, Berthet H, Lindner A, Rousselet A, Clément E. Non-Newtonian viscosity of Escherichia coli suspensions. Phys Rev Lett. 2013;110(26):268103. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.110.268103]
Hatwalne Y, Ramaswamy S, Rao M, Simha RA. Rheology of active-particle suspensions. Phys Rev Lett. 2004;92(11):118101. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.92.118101]
Fürthauer S, Neef M, Grill SW, Kruse K, Jülicher F. The Taylor-Couette motor: Spontaneous flows of active polar fluids between two coaxial cylinders. New J Phys. 2012;14:023001. [Link] [DOI:10.1088/1367-2630/14/2/023001]
Credi A. Nanomachines, fundamentals and applications, by Joseph Wang. Angewandte Chemie International Edition. 2014;53(17):4274-5. [Link] [DOI:10.1002/anie.201311274]
Wirtz D. Particle-tracking microrheology of living cells: Principles and applications. Annu Rev Biophys. 2009;38:301-26. [Link] [DOI:10.1146/annurev.biophys.050708.133724]
Virgile C, Hauk P, Wu HC, Shang W, Tsao CY, Payne GF, et al. Engineering bacterial motility towards hydrogen-peroxide. PLoS One. 2018;13(5):e0196999. [Link] [DOI:10.1371/journal.pone.0196999]
Ravichandar JD, Bower AG, Agung Julius A, Collins CH. Transcriptional control of motility enables directional movement of Escherichia coli in a signal gradient. Sci Rep. 2017;7:8959. [Link] [DOI:10.1038/s41598-017-08870-6]
Patteson AE, Gopinath A, Arratia PE. Active colloids in complex fluids. Curr Opin Colloid Interface Sci. 2016;21:86-96. [Link] [DOI:10.1016/j.cocis.2016.01.001]
Marchetti MC, Joanny JF, Ramaswamy S, Liverpool TB, Prost J, Rao M, et al. Hydrodynamics of soft active matter. Rev Mod Phys. 2013;85(3):1143. [Link] [DOI:10.1103/RevModPhys.85.1143]
Grégoire G, Chaté H. Onset of collective and cohesive motion. Phys Rev Lett. 2004;92(2):025702. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.92.025702]
Saintillan D. The dilute rheology of swimming suspensions: A simple kinetic model. Exp Mech. 2010;50(9):1275-81. [Link] [DOI:10.1007/s11340-009-9267-0]
Gachelin J, Rousselet A, Lindner A, Clement E. Collective motion in an active suspension of Escherichia coli bacteria. New J Phys. 2014;16:025003. [Link] [DOI:10.1088/1367-2630/16/2/025003]
Karmakar R, Gulvady R, Tirumkudulu MS, Venkatesh KV. Motor characteristics determine the rheological behavior of a suspension of microswimmers. Phys Fluids. 2014;26(7):071905. [Link] [DOI:10.1063/1.4890005]
Subramanian G, Koch DL. Critical bacterial concentration for the onset of collective swimming. J Fluid Mech. 2009;632:359-400. [Link] [DOI:10.1017/S002211200900706X]
Berke AP, Turner L, Berg HC, Lauga E. Hydrodynamic attraction of swimming microorganisms by surfaces. Phys Rev Lett. 2008;101(3):038102. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.101.038102]
Lauga E. Bacterial hydrodynamics. Annu Rev Fluid Mech. 2016;48:1-17. [Link] [DOI:10.1146/annurev-fluid-122414-034606]
Dombrowski C, Cisneros L, Chatkaew S, Goldstein RE, Kessler JO. Self-concentration and large-scale coherence in bacterial dynamics. Phys Rev Lett. 2004;93(9):098103. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.93.098103]
Patteson AE, Gopinath A, Goulian M, Arratia PE. Running and tumbling with E. coli in polymeric solutions. Sci Rep. 2015;5:15761. [Link] [DOI:10.1038/srep15761]
Martinez VA, Schwarz-Linek J, Reufer M, Wilson LG, Morozov AN, Poon WC. Flagellated bacterial motility in polymer solutions. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111(50):17771-6. [Link] [DOI:10.1073/pnas.1415460111]
Schneider WR, Doetsch RN. Effect of viscosity on bacterial motility. J Bacteriol. 1974;117(2):696-701. [Link]
Magariyama Y, Kudo S. A mathematical explanation of an increase in bacterial swimming speed with viscosity in linear-polymer solutions. Biophys J. 2002;83(2):733-9. [Link] [DOI:10.1016/S0006-3495(02)75204-1]
López HM, Gachelin J, Douarche C, Auradou H, Clément E. Turning bacteria suspensions into superfluids. Phys Rev Lett. 2015;115(2):028301. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.115.028301]
Sokolov A, Aranson IS. Reduction of viscosity in suspension of swimming bacteria. Phys Rev Lett. 2009;103(14):148101. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.103.148101]
Pollitt EJ, Crusz SA, Diggle SP. Staphylococcus aureus forms spreading dendrites that have characteristics of active motility. Sci Rep. 2015;5:17698. [Link] [DOI:10.1038/srep17698]
Cui Z, Zeng XM. Rheology of sheared bacterial suspensions. In: Childress S, Hosoi A, Schultz W, Wang J, editors. Natural locomotion in fluids and on surfaces, the IMA volumes in mathematics and its applications. 155th Volume. New York: Springer; 2012. pp. 217-24. [Link] [DOI:10.1007/978-1-4614-3997-4_17]
Pollitt EJG, Diggle SP. Defining motility in the Staphylococci. Cell Mol Life Sci. 2017;74(16):2943-58. [Link] [DOI:10.1007/s00018-017-2507-z]
D'Agostino M. Focus: Swimming microbes change fluid viscosity. Phys Fluids. 2010;25:9. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevFocus.25.9]
Rabani A, Ariel G, Be'er A. Collective motion of spherical bacteria. PLoS One. 2013;8(12):e83760. [Link] [DOI:10.1371/journal.pone.0083760]
Teodorescu M, Bercea M. Poly(vinylpyrrolidone) - a versatile polymer for biomedical and beyond medical applications. Polym Plast Technol Eng. 2015;54(9):923-43. [Link] [DOI:10.1080/03602559.2014.979506]
Morse M, Huang A, Li G, Maxey MR, Tang JX. Molecular adsorption steers bacterial swimming at the air/water interface. Biophys J. 2013;105(1):21-8. [Link] [DOI:10.1016/j.bpj.2013.05.026]
KRÜSS. Wilhelmy plate method [Internet]. Hamburg: KRÜSS; 2018 [cited 2019 Jan 23]. Available from: https://www.kruss-scientific.com/services/education-theory/glossary/wilhelmy-plate-method/ [Link]
Denniss S, Rush J. Polyvinylpyrrolidone can be used to cost-effectively increase the viscosity of culture media. FASEB J. 2015;29:1029. [Link]
Gao Y, Neubauer M, Yang A, Johnson N, Morse M, Li G, et al. Altered motility of Caulobacter crescentus in viscous and viscoelastic media. BMC Microbiol. 2014;14:322. [Link] [DOI:10.1186/s12866-014-0322-3]
Sherris JC, Preston NW, Shoesmith JG. The influence of oxygen and arginine on the motility of a strain of Pseudomonas sp. J Gen Microbiol. 1957;16(1):86-96. [Link] [DOI:10.1099/00221287-16-1-86]
Tuval I, Cisneros L, Dombrowski C, Wolgemuth CW, Kessler JO, Goldstein RE. Bacterial swimming and oxygen transport near contact lines. Proc Natl Acad Sci U S A. 2005;102(7):2277-82. [Link] [DOI:10.1073/pnas.0406724102]
Douarche C, Buguin A, Salman H, Libchaber A. E. Coli and oxygen: A motility transition. Phys Rev Lett. 2009;102(19):198101. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevLett.102.198101]
Balaev AE, Dvoretski KN, Doubrovski VA. Refractive index of Escherichia coli cells. Saratov Fall Meeting 2001: Optical Technologies in Biophysics and Medicine III, Saratov, Russian Federation. Bellingham WA: SPIE 4707; 2002. [Link]
Ryan SD, Haines BM, Berlyand L, Ziebert F, Aranson IS. Viscosity of bacterial suspensions: Hydrodynamic interactions and self-induced noise. Phys Rev E. 2011;83(5):050904(R). [Link] [DOI:10.1103/PhysRevE.83.050904]
Ishikawa T. Suspension biomechanics of swimming microbes. J R Soc Interface. 2009;6:815-34. [Link] [DOI:10.1098/rsif.2009.0223]
Ramia M, Tullock DL, Phan-Thien N. The role of hydrodynamic interaction in the locomotion of microorganisms. Biophys J. 1993;65(2):755-78. [Link] [DOI:10.1016/S0006-3495(93)81129-9]
Brown E, Jaeger HM. Shear thickening in concentrated suspensions: phenomenology, mechanisms and relations to jamming. Rep Prog Phys. 2014;77(4):046602. [Link] [DOI:10.1088/0034-4885/77/4/046602]
Ryan SD, Sokolov A, Berlyand L, Aranson IS. Correlation properties of collective motion in bacterial suspensions. New J Phys. 2013;15:105021. [Link] [DOI:10.1088/1367-2630/15/10/105021]