Бактериальная адгезия в водной системе

Бактериальная адгезия предполагает прикрепление (или осаждение) бактерий на поверхности (твердом, гелеобразном слое и т. д.). Это взаимодействие играет важную роль как в природных системах, так и в экологической инженерии. Прилипание биомассы к поверхности мембраны приведет к ее загрязнению , что может значительно снизить эффективность системы очистки с использованием процесса мембранной фильтрации на очистных сооружениях. Низкая адгезия бактерий к почве является важным ключом к успеху биоремедиации на месте при очистке подземных вод. Однако загрязнение питьевой воды патогенами может быть связано с переносом микроорганизмов в грунтовые воды и другие источники воды. Контроль и предотвращение негативного воздействия бактериальных отложений на водную среду требуют глубокого понимания механизмов этого процесса. Теория DLVO широко использовалась для описания отложения бактерий во многих современных исследованиях.

Прогнозирование бактериальных отложений с помощью классической теории DLVO.

Теория ДЛВО описывает потенциал взаимодействия между заряженными поверхностями. Это сумма двойного электростатического слоя, который может быть как притягивающим, так и отталкивающим, и притягивающим ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями поверхностей заряда. Теория ДЛФО широко применяется для объяснения агрегации и отложения коллоидных и наночастиц, таких как фуллерен C60, в водной системе. Поскольку бактерии и коллоидные частицы имеют сходство по размеру и поверхностному заряду, отложение бактерий также можно описать теорией ДЛФО. Прогноз основан на взаимодействии сферы и пластины для одной ячейки и поверхности.

Электростатические взаимодействия двойного слоя можно описать выражением для постоянного поверхностного потенциала

$V_{EDL}=\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}a_{p}{\bigg \{}2\psi _{p}\psi _{c}ln{\bigg [}{\frac {1+exp(-\kappa h)}{1-exp(-\kappa h)}}{\bigg ]}+(\psi _{p}^{2}+\psi _{c}^{2})ln{\big [}1-exp(-2\kappa h){\big ]}{\bigg \}}$

где ε ₀ — вакуумная диэлектрическая проницаемость , ε _r — относительная диэлектрическая проницаемость воды, a _p — эквивалентный сферический радиус бактерий, κ — обратная дебаевская длина , h — расстояние между бактерией и поверхностью коллектора; ψ _p и ψ _c – поверхностные потенциалы бактериальной клетки и поверхности коллектора. Вместо поверхностного потенциала использовали дзета-потенциал на поверхности бактерий и коллектора.

Запаздывающий потенциал взаимодействия Ван-дер-Ваальса рассчитывался с использованием выражения Грегори, 1981.

$V_{VdW}=-{\frac {Aa_{p}}{6h}}{\bigg [}1+{\frac {14h}{\lambda }}{\bigg ]}^{-1}$

где A — константа Гамакера для коллектора бактерии-вода-поверхность (кварц) = 6,5 x 10. ⁻²¹ J и λ — характерная длина волны диэлектрика, которую можно принять равной 100 нм, a — эквивалентный радиус бактерий, h — расстояние от поверхностного коллектора до бактерий.

Таким образом, общее взаимодействие между бактериями и заряженной поверхностью можно выразить следующим образом: $V_{TOT}=\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}a_{p}{\bigg \{}2\psi _{p}\psi _{c}ln{\bigg [}{\frac {1+exp(-\kappa h)}{1-exp(-\kappa h)}}{\bigg ]}+(\psi _{p}^{2}+\psi _{c}^{2})ln{\big [}1-exp(-2\kappa h){\big ]}{\bigg \}}-{\frac {Aa_{p}}{6h}}{\bigg [}1+{\frac {14h}{\lambda }}{\bigg ]}^{-1}$

Текущий экспериментальный результат

Экспериментальный метод

Система радиального застойного точечного потока (RSPF) в настоящее время используется для эксперимента по бактериальной адгезии с проверкой теории DLVO. Это хорошо изученная экспериментальная система, которая полезна для визуализации отложения отдельных бактерий на плоской поверхности кварца с однородным зарядом . Отложение бактерий на поверхности наблюдали и оценивали с помощью инвертированного микроскопа и записывали через регулярные промежутки времени (10 с или 20 с) с помощью цифровой камеры.

Поток налетел на точку застоя https://web.archive.org/web/20090418224617/http://www.yale.edu/env/alexis_folder/alexis_research_2b.jpg

Для экспериментов использовалось множество бактериальных красителей. Они есть:

• ооцисты Cryptosporidium parvum , имеющий эквивалентный сферический диаметр 3,7 мкм.
• Эшерихия коли , имеющий эквивалентный сферический диаметр 1,7 мкм.
• синегнойная палочка , имеющий эквивалентный сферический диаметр 1,24 мкм.

Все бактериальные штаммы имеют отрицательный дзета-потенциал при экспериментальном pH (5,5 и 5,8) и меньше становятся отрицательными при более высокой ионной силе как в растворах моно-, так и в двухвалентных солях.

Поверхностные коллекторы из сверхчистого кварца широко использовались из-за однородности их поверхности, что является важным фактором для применения теории DLVO . Поверхность кварца изначально имеет отрицательный потенциал. Однако поверхность коллекторов обычно модифицировали, чтобы она имела положительную поверхность для благоприятных экспериментов по осаждению.
В некоторых экспериментах поверхность коллектора была покрыта слоем альгината с отрицательным зарядом для имитации реальной кондиционирующей пленки в природной системе.

Результат

С помощью теории ДЛФО был сделан вывод, что осаждение бактерий в основном происходит во вторичном энергетическом минимуме. Расчет DLVO предсказал, что энергетический барьер составит от 140 кТл при ионной силе 31,6 мм до более 2000 кТл при ионной силе 1 ммоль. Эти данные не согласовывались с экспериментальными данными, которые показали увеличение осаждения с увеличением ионной силы. Следовательно, осадок мог возникнуть во вторичном минимуме с энергией от 0,09 кТл до 8,1 кТл при ионной силе 1 мМ и 31,6 мМ соответственно. Этот вывод был дополнительно подтвержден частичным высвобождением депонированных бактерий при уменьшении ионной силы. Поскольку количество высвободившихся бактерий было менее 100%, было высказано предположение, что бактерии могут откладываться на первичном минимуме из-за неоднородности поверхности коллектора или бактериальной поверхности. Этот факт не был отражен в классической теории ДЛВО.

Наличие двухвалентных электролитов (Ca ²⁺ ) может нейтрализовать зарядовую поверхность бактерий за счет связывания Ca ²⁺ и функциональная группа на поверхности ооцисты. Это привело к заметному бактериальному осаждению, несмотря на очень высокую электростатическую энергию отталкивания, основанную на предсказании DLVO.

Подвижность бактерий также оказывает существенное влияние на бактериальную адгезию. Неподвижные и подвижные бактерии в экспериментах по осаждению показали различное поведение. При одинаковой ионной силе подвижные бактерии продемонстрировали большую адгезию к поверхности, чем неподвижные бактерии, а подвижные бактерии могут прикрепляться к поверхности коллектора под действием высокой электростатической силы отталкивания. Было высказано предположение, что энергия плавания клеток может преодолеть энергию отталкивания или же они могут прилипать к областям неоднородности на поверхности. Увеличение плавательной способности при увеличении ионной силы и концентрации 100 мМ является оптимальной концентрацией для вращения жгутиков.

Несмотря на энергию электростатического отталкивания, полученную при расчете DLVO между бактериями и поверхностным коллектором, осаждение может происходить из-за других взаимодействий, таких как стерическое воздействие присутствия жгутиков на клеточную среду и сильная гидрофобность клетки.