När man innehåller en enorm katastrof som ett oljeutsläpp, små mikrober spelar en stor roll.

Arezoo Ardekani, en Purdue University docent i maskinteknik, har publicerat forskning som beskriver den komplexa hydrodynamiken hos mikroorganismer vid vätske-vätska och gas-vätska gränssnitt, som visar att mikrober kan flockas till områden där ytaktivt medel har applicerats.

Den 20 april, 2010, en katastrofal explosion ombord på oljeriggen Deepwater Horizon i Louisiana fick en undervattensbrunnshuvud att brista, tappar olja i Mexikanska golfen. Det tog 87 dagar att täcka undervattensbrunnen, vid vilken tidpunkt mer än 200 miljoner liter olja hade släppt ut i viken. Tjänstemän använde många olika taktiker för att begränsa skadorna av oljeutsläppet, som att förlita sig på mikrober för att smälta kolväten, och använda dispergeringsmedel (eller ytaktiva) kemikalier för att bryta upp oljefläckar, gör det lättare för mikroberna att smälta.

"Mikrober var de "första svararna" på oljeutsläppet, ", sade Ardekani. "De sanerade en betydande mängd kolväten. Men Mexikanska golfen är en stor plats. Hur hittade så många mikrober denna olja?"

Som Ardekani upptäckte, mikrobernas prestanda påverkades av det ytaktiva ämnet, men inte som någon förväntade sig.

"Det finns flera saker som får mikroorganismer att röra sig, " sa hon. "T.ex. mikroberna nära ett oljeutsläpp kan motiveras av kemotaxi, dvs. plocka upp det kemiska spåret för en potentiell matkälla. Men det ytaktiva ämnet skapade faktiskt ett hydrodynamiskt fenomen som fick mikrober att samlas i ännu större antal."

Ardekanis team testade sin hypotes i labbet, använda E. coli-celler, encelliga bakterier, vars beteende är välkänt. Forskarna 3-D-printade en liten kammare, där de mikroskopiskt kunde observera cellernas rörelser i en flytande suspension, och testade sedan vad som hände när den vätskan kom i kontakt med en annan vätska med annan viskositet. Resultaten visade att E. coli-cellerna ackumulerades med högre densitet vid vätske-vätska-gränsytan, och ännu större densitet vid gränssnitt mellan gas och vätska.

"De ytaktiva ämnena ändrade gränssnittsegenskapen, ", sa Ardekani. "Om mikrober attraheras hydrodynamiskt till gränssnitt mellan gas och vätska, närvaron av ytaktiva ämnen gjorde det ännu mer attraktivt."

Använd detta experiment som en guide, forskare byggde teoretiska modeller som framgångsrikt förklarade den komplexa vätskedynamiken vid dessa gas-vätskegränssnitt. Deras forskning har varit med på omslaget till tidskriften Mjuk materia , och även publicerad i tidskriften Fysisk granskning E .

Användningen av dispergeringsmedel under oljeutsläppet Deepwater Horizon var inte utan kontrovers; Forskarna var oense om huruvida kemikalierna gjorde mer skada än nytta för ekosystemet. I efterdyningarna av katastrofen, BP spenderade 500 miljoner dollar för att etablera Mexikanska golfens forskningsinitiativ, en oberoende organisation som finansierar grundlig vetenskaplig forskning för att mildra effekterna av utsläppet. Ardekanis forskning är ett av resultaten av den ansträngningen.

"Vi visste ingenting om detta innan utsläppet, ", sade Ardekani. "Det främsta skälet till att de använde dispergeringsmedel var att bryta upp storleken på oljedropparna. Men nu har vi upptäckt en ny hydrodynamisk mekanism, att tillsats av ytaktivt medel gör att mikrober spenderar mer tid nära oljedroppar. Den där, i kombination med kemotaxi, kan potentiellt ge mikrober mer tid att sönderdela dessa kolväten."