Бактериальная адгезия в водной системе - Bacterial adhesion in aquatic system

Бактериальная адгезия предполагает прикрепление (или осаждение) бактерий на поверхности (твердом, гелевом слое и т. д.). Это взаимодействие играет важную роль в природных системах, а также в экологической инженерии. Крепление биомассы на мембрана поверхность приведет к засорение мембраны, что может значительно снизить эффективность системы очистки с использованием процесса мембранной фильтрации на очистных сооружениях.^[1] Низкая адгезия бактерий к почве является ключевым фактором успеха in-situ биоремедиация в очистке грунтовых вод.^[2] Однако загрязнение патогены в питьевой воде может быть связано с переносом микроорганизмов в грунтовые воды и другие источники воды.^[3] Контроль и предотвращение неблагоприятного воздействия бактериальных отложений на водную среду требует глубокого понимания механизмов этого процесса. Теория DLVO широко используется для описания отложения бактерий во многих текущих исследованиях.^{[1][2][3][4][5][6]}

Прогнозирование бактериального отложения по классической теории DLVO

Теория DLVO описывает потенциал взаимодействия между заряженными поверхностями. Он представляет собой сумму электростатического двойного слоя, который может быть как притягивающим, так и отталкивающим, и притягивающим ван-дер-ваальсовым взаимодействием заряженных поверхностей.^[2] Теория DLVO широко применяется для объяснения агрегации и осаждения коллоидных и наночастиц, таких как Фуллерен C60 в водной системе. Поскольку и бактерии, и коллоидные частицы имеют сходство по размеру и поверхностному заряду, отложение бактерий также можно описать с помощью теории DLVO.^[1][2][3][4] Прогноз основан на взаимодействии сфера-пластина для одной ячейки и поверхности.

Электростатические взаимодействия двойных слоев можно описать выражением для постоянного поверхностного потенциала ^[2][3][4][6]

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

Где ε₀это диэлектрическая проницаемость вакуума, ε_р относительный диэлектрический диэлектрическая проницаемость воды,_п - эквивалентный сферический радиус бактерий, κ - величина, обратная Длина Дебая, h - расстояние между бактерией и поверхностью коллектора; ψ_п и ψ_c - поверхностные потенциалы бактериальной клетки и поверхности коллектора. Дзета-потенциал на поверхности бактерий и коллектора использовались вместо поверхностного потенциала.

Отсталый Взаимодействие Ван-дер-Ваальса потенциал был рассчитан с использованием выражения Грегори, 1981.^[1][2][3][4]

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

С А Постоянная Гамакера для коллектора бактерий-вода-поверхность (кварц) = 6,5 x 10⁻²¹ J и λ - характерная длина волны диэлектрика, которую можно принять за 100 нм, a - эквивалентный радиус бактерий, h - расстояние от поверхностного коллектора до бактерий.

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

Текущий экспериментальный результат

Экспериментальный метод

Система радиального застойного точечного потока (RSPF) в настоящее время используется для экспериментов по адгезии бактерий с проверкой теории DLVO. Это хорошо охарактеризованная экспериментальная система, которая полезна для визуализации отложения отдельных бактерий на однородном заряде, плоском кварц поверхность.^[1][3] Отложение бактерий на поверхности наблюдали и оценивали с помощью инвертированный микроскоп и записывались через равные промежутки времени (10 или 20 с) цифровой камерой.

Поток летел в точке застоя потока https://web.archive.org/web/20090418224617/http://www.yale.edu/env/alexis_folder/alexis_research_2b.jpg

В экспериментах использовалось множество бактериальных красителей. Они есть:

• Криптоспоридиум парвум ооцисты,^[4] с эквивалентным сферическим диаметром 3,7 мкм.
• кишечная палочка,^[2][6] имеющий эквивалентный сферический диаметр 1,7 мкм.
• Синегнойная палочка,^[1][3][5][7] с эквивалентным сферическим диаметром 1,24 мкм.

Все бактериальные штаммы имеют отрицательный дзета-потенциал при экспериментальном pH (5,5 и 5,8) и в меньшей степени становятся отрицательными при более высокой ионной силе как в одно-, так и в двухвалентных солевых растворах.^{[1][2][3][4][5][6][7]}

Поверхностные коллекторы из сверхчистого кварца широко используются из-за их однородности поверхности, что является важным фактором для применения. Теория DLVO.^{[1][2][3][4][5][6][7]} Поверхность кварца изначально имеет отрицательный потенциал. Однако поверхность коллекторов обычно модифицировалась, чтобы иметь положительную поверхность для благоприятных экспериментов по осаждению.^{[2][3][4][6][7]}
В некоторых экспериментах поверхностный коллектор покрывали альгинат слой с отрицательным зарядом для имитации реальной кондиционирующей пленки в натуральной системе.^[1][5]

Результат

Был сделан вывод, что бактериальное отложение в основном происходит во вторичном энергетическом минимуме, с использованием теории DLVO.^[2][4][6] Расчет DLVO предсказал энергетический барьер от 140 кТл при ионной силе 31,6 мМ до более 2000 кТл при ионной силе 1 мМ. Эти данные не согласовывались с экспериментальными данными, которые показали увеличение осаждения с увеличением ионной силы.^[2] Следовательно, отложение может происходить на вторичном минимуме с энергией от 0,09 кТл до 8,1 кТл при ионной силе 1 мМ и 31,6 мМ соответственно.^[2] Этот вывод был дополнительно подтвержден частичным высвобождением депонированных бактерий при уменьшении ионной силы. Поскольку количество высвобожденных бактерий было менее 100%, было высказано предположение, что бактерии могут откладываться в первичном минимуме из-за неоднородности поверхности коллектора или бактериальной поверхности. Этот факт не освещался в классической теории ДЛВО.^[2]

Наличие двухвалентных электролитов (Ca²⁺) может нейтрализовать заряженную поверхность бактерий за счет связывания между Ca²⁺ и функциональная группа на поверхности ооцисты.^[4] Это привело к наблюдаемому бактериальному отложению, несмотря на очень высокую энергию электростатического отталкивания по прогнозу DLVO.

Подвижность бактерий также оказывает значительное влияние на адгезию бактерий. Неподвижные и подвижные бактерии показали различное поведение в экспериментах по осаждению.^[1][5][7] При одинаковой ионной силе подвижные бактерии продемонстрировали большую адгезию к поверхности, чем неподвижные бактерии, и подвижные бактерии могут прикрепляться к поверхности коллектора при высокой отталкивающей электростатической силе.^[1] Было высказано предположение, что энергия плавания клеток может преодолевать энергию отталкивания или они могут прилипать к участкам неоднородности на поверхности. Плавательная способность увеличивается с ионной силой, и 100 мМ - оптимальная концентрация для вращения жгутиков.^[7]

Несмотря на энергию электростатического отталкивания из расчета DLVO между бактериями и поверхностным коллектором, отложение может происходить из-за других взаимодействий, таких как стерическое влияние присутствия жгутиков на клеточную среду и сильную гидрофобность клетки.^[1]

Рекомендации

1. Алексис Дж. Де Керхов и Менахем Элимелех, Влияние альгинатной кондиционирующей пленки на кинетику осаждения подвижных и неподвижных штаммов Pseudomonas aeruginosa, Прикладная и экологическая микробиология, август 2007 г., с. 5227–5234.
2. Джереми А. Редман, Шэрон Л. Уокер и Менахем Элимелек, Бактериальная адгезия и транспорт в пористой среде: роль вторичного энергетического минимума, Environ. Sci. Technol. 2004, 38, 1777-1785.
3. Алексис Дж. Де Керхов, Павел Веронски и Менахем Элимелех, Адгезия неподвижных Pseudomonas aeruginosa на «мягком» полиэлектролитном слое в системе потока радиальной точки застоя: измерения и модельные прогнозы, Langmuir 2007, 23, 12301-12308.
4. Захари А. Кузнар и Менахем Элимелех, Кинетика адгезии жизнеспособных ооцист Cryptosporidium parvum к поверхности кварца, Environ. Sci. Technol. 2004, 38, 6839-6845.
5. Алексис Дж. Де Керхов и Менахем Элимелех, Катионы кальция и магния усиливают адгезию подвижных и неподвижных Pseudomonas aeruginosa на альгинатных пленках, Langmuir 2008, 24, 3392-3399.
6. Шэрон Л. Уокер, Джереми А. Редман и Менахем Элимелех, Роль липополисахаридов клеточной поверхности в адгезии и транспорте Escherichia coli K12, Langmuir 2004, 20, 7736-7746.
7. Алексис Дж. Де Керхов и Менахем Элимелех, Подвижность бактерий при плавании увеличивает отложение клеток и покрытие поверхности, Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 4371–4377.