Vart det än finns vatten, Det finns säkert bubblor som flyter på ytan. Från stående pölar, sjöar, och vattendrag, till pooler, badtunnor, offentliga fontäner, och toaletter, bubblor är allestädes närvarande, inomhus och utomhus.

En ny MIT -studie visar hur bubblor som är förorenade med bakterier kan fungera som små mikrobiella granater, sprängning och uppskjutning av mikroorganismer, inklusive potentiella patogener, ur vattnet och ut i luften.

I studien, publiceras idag i tidningen Fysiska granskningsbrev , forskarna fann att bakterier kan påverka en bubblas livslängd:En bakterietäckt bubbla som flyter vid vattenytan kan vara mer än 10 gånger längre än en oförorenad, kvarstår i minuter istället för sekunder. Under denna tid, locket på den förorenade bubblan tunnar. Ju tunnare bubblan, ju högre antal droppar den kan släppa ut i luften när bubblan oundvikligen spricker. En enda droppe, forskarna uppskattar, kan bära upp till tusentals mikroorganismer, och varje bubbla kan avge hundratals droppar.

"Vi upptäckte att bakterier kan manipulera gränssnitt på ett sätt som kan förbättra deras egen spridning mellan vatten och luft, "säger Lydia Bourouiba, biträdande professor i civil- och miljöteknik och chef för Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory.

Bourouibas medförfattare på tidningen är doktoranden Stephane Poulain.

Något i vattnet

Bourouiba har ägnat de senaste åren åt att noggrant generera, bildbehandling, och karakteriserar ren, okontaminerade bubblor, med målet att upprätta en baslinje för normalt bubbelbeteende.

"Vi var först tvungna att förstå fysiken hos rena bubblor innan vi kunde lägga till organismer som bakterier för att se vilken effekt de har på systemet, säger Bourouiba.

När det händer, forskarna märkte först bakteriers effekt något av en slump. Teamet var i färd med att flytta till ett nytt labbutrymme, och i blandningen, en bägare med vatten hade lämnats ute i det fria. När forskaren använde den i efterföljande experiment, resultatet blev inte vad laget förväntade sig.

"Bubblorna som producerades av detta vatten levde mycket längre och hade en märklig förtunning jämfört med den för typiska rent vattenbubblor, Säger Poulain.

Bourouiba misstänkte att vattnet var förorenat, och teamet bekräftade snart hennes hypotes. De analyserade vattnet och hittade bevis på bakterier som finns naturligt inomhus.

Juiceeffekten

För att direkt studera bakteriers effekt på bubblor, laget inrättade ett experiment där de fyllde en kolonn med en lösning av vatten och olika bakteriearter, inklusive E. coli. Forskarna utvecklade ett system för att generera bubblor med en luftpump, en i taget, inuti kolonnen, för att kontrollera volymen och storleken på varje bubbla. När en bubbla steg upp till ytan, laget använde höghastighetsavbildning i kombination med en rad optiska tekniker för att fånga sitt beteende, vid ytan och när den sprack.

Forskarna observerade att, när en bubbla förorenad med E. coli kom upp till vattenytan, sin egen yta, eller keps, började genast tunna, mestadels genom att dränera tillbaka i vattnet, som ett smält skal av choklad. Detta beteende liknade det för oförorenade bubblor.

Men de kontaminerade bubblorna förblev på ytan mer än 10 gånger längre än okontaminerade bubblor. Och efter en kritisk tid, de bakterieladdade bubblorna började tunnas mycket snabbare. Bourouiba misstänkte att det kanske inte var bakterierna själva, men vad de utsöndrar, som håller bubblan på plats längre.

"Bakterier lever, och som allt levande, de gör avfall, och att avfall vanligtvis är något som potentiellt kan interagera med bubblans gränssnitt, "Säger Bourouiba." Så vi separerade organismerna från deras "juice". "

Forskarna tvättade bort bakterier från sina sekret, upprepade sedan sina experiment, med hjälp av bakteriens sekret. Precis som Bourouiba misstänkte, bubblorna som innehåller sekreten ensamma varade mycket längre än rena bubblor. Sekretet, gruppen avslutade, måste vara den viktigaste ingrediensen för att förlänga en bubblas livstid. Men hur?

På nytt, Bourouiba hade en hypotes:Bakteriesekret kan verka för att minska en bubblas ytspänning, gör den mer elastisk, mer motståndskraftig mot störningar, och på slutet, mer sannolikt att leva längre på en vattenyta. Detta beteende, noterade hon, liknade ytaktiva föreningar, eller ytaktiva ämnen, som föreningarna i tvättmedel som gör tvålbubblor.

För att testa denna idé, forskarna upprepade experimenten, denna gång genom att byta ut bakterier mot vanliga syntetiska ytaktiva ämnen, och fann att de också producerade långvariga bubblor som också tunnas ut dramatiskt efter en viss tidsperiod. Detta experiment bekräftade att bakteriers sekret fungerar som ytaktiva ämnen som förlänger livslängden för förorenade bubblor.

Forskarna letade sedan efter en förklaring till den drastiska förändringen i en förorenad bubblas förtunning. I rena bubblor, gallringen av locket var mestadels ett resultat av dränering, eftersom vatten i locket för det mesta rinner tillbaka till vätskan från vilken bubblan steg. Sådana bubblor lever i storleksordningen sekunder, och deras dräneringshastighet sänks kontinuerligt när bubblan tunnas ut.

Men om en bubbla varar förbi en kritisk tid, avdunstning börjar spela en mer dominerande roll än dränering, rakar i huvudsak bort vattenmolekyler från bubblans lock. Forskarna drog slutsatsen att, om en bubbla innehåller bakterier, bakterierna och deras sekret, få en bubbla att hålla längre på en vattens yta - tillräckligt länge för att avdunstning blir viktigare än dränering för att tunna bubblans lock.

När en bubblas keps blir tunnare, dropparna sprutas ut när det oundvikligen spricker blir mindre, snabbare, och fler. Teamet fann att en enda bakterieladdad bubbla kan skapa 10 gånger fler droppar, som är 10 gånger mindre och matas ut 10 gånger snabbare än vad en ren bubbla kan producera. Detta uppgår till hundratals droppar som bara mäter några dussintals mikron och som avges med hastigheter i storleksordningen 10 meter per sekund.

"Den identifierade mekanismen [Bourouiba] fungerar också när skumbubblor spricker vid havets yta, säger Andrea Prosperetti, en professor i maskinteknik vid University of Houston, som inte var inblandad i forskningen. "Storleken på dessa små filmdroppar bestämmer hur väl de kan plockas upp och bäras av vinden. Denna process har betydande konsekvenser för klimat och väder. Samma grundprocess påverkar hälsoriskerna vid oljeutsläpp i havet:Den lilla filmen droppar bär farliga kemikalier från oljan, som kan inandas av människor och djur i kustområdena. Så, dessa ödmjuka, små droppar har stora konsekvenser i många processer som är avgörande för livet."

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.