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Bursting bubbles launch bacteria from water to air: Study shows new mode of bacteria dispersal.

Wherever there’s water, there’s bound to be bubbles floating at the surface. From standing puddles, lakes, and streams, to swimming pools, hot tubs, public fountains, and toilets, bubbles are ubiquitous, indoors and out. A new MIT study shows how bubbles contaminated with bacteria can act as tiny microbial grenades, bursting and launching microorganisms, including potential pathogens, out of the water and into the air.

No estudo, published today in the journal Physical Review Letters, the researchers found that bacteria can affect a bubble’s longevity: Uma bolha cobertas de bactérias flutuando na superfície da água pode durar mais de 10 vezes mais do que um não contaminado pode, persistindo por minuto em vez de segundo. Durante este tempo, o tampão dos dilui bolha contaminados. Quanto mais fina for a bolha, quanto maior o número de gotículas pode lançar para o ar quando a bolha inevitavelmente explode. Uma única gota, os pesquisadores estimam, pode transportar até milhares de microorganismos, e cada bolha pode emitir centenas de gotículas.

pesquisadores do MIT descobriram que as bactérias podem afetar a longevidade de uma bolha. Imagem cortesia dos pesquisadores

“We discovered bacteria can manipulate interfaces in a manner that can enhance their own water-to-air dispersal,”, Diz Lydia Bourouiba, professor assistente de engenharia civil e ambiental e diretor da Dinâmica de Fluidos de Laboratório de Doenças de Transmissão.

co-autor do Bourouiba no papel é estudante Stephane Poulain.

Algo na água

Bourouiba passou os últimos anos gerando meticulosamente, imaging, e caracterizar limpo, bolhas não contaminados, com o objetivo de estabelecer uma linha de base do comportamento normal bolha.

“Primeiro, tínhamos de compreender a física de bolhas limpas antes que pudéssemos acrescentar organismos como bactérias para ver o efeito que eles têm sobre o sistema,”Bourouiba diz.

Como acontece, os pesquisadores primeiro notou efeito das bactérias um pouco por acidente. A equipe estava no meio da mudança para um novo espaço de laboratório, e na confusão, um copo de água tinha sido deixada em aberto. Quando o investigador utilizou em experiências subsequentes, os resultados não foram o que a equipe espera.

“As bolhas produzidas desta água viveram muito mais tempo e teve uma evolução afinamento peculiar comparado ao de típicas bolhas de água limpa,”Poulain diz.

Bourouiba suspeita a água havia sido contaminada, ea equipe logo confirmou sua hipótese. Analisaram a água e encontrou evidência de bactérias que estão naturalmente presentes dentro.

O efeito suco

Para estudar diretamente efeito das bactérias em bolhas, a equipa de configurar uma experiência em que se encheu uma coluna com uma solução de água e várias espécies de bactérias, Incluindo E. coli. Os pesquisadores desenvolveram um sistema para gerar bolhas com uma bomba de ar, um por vez, no interior da coluna, a fim de controlar o volume e tamanho de cada bolha. Quando uma bolha subiu para a superfície, a equipe usou imagem de alta velocidade, juntamente com uma gama de técnicas ópticas para capturar o seu comportamento, na superfície e como ela rebentar.

Os pesquisadores observaram que, once a bubble contaminated with E. colimade it to the water’s surface, its own surface, or cap, immediately started to thin, mostly by draining back into the water, like a melting shell of chocolate. This behavior was similar to that of uncontaminated bubbles.

But the contaminated bubbles remained on the surface more than 10 times longer than uncontaminated bubbles. And after a critical period of time, the bacteria-laden bubbles started thinning much faster. Bourouiba suspected that it might not be the bacteria themselves, but what they secrete, that holds the bubble in place for longer.

“Bacteria are alive, and like anything alive, they make waste, and that waste typically is something that potentially could interact with the bubble’s interface,”Bourouiba diz. “So we separated the organisms from their ‘juice.’”

The researchers washed bacteria away from their secretions, then repeated their experiments, using the bacteria’s secretions. Just as Bourouiba suspected, the bubbles containing the secretions alone lasted much longer than clean bubbles. The secretions, the group concluded, must be the key ingredient in extending a bubble’s lifetime. But how?

Novamente, Bourouiba had a hypothesis: Bacterial secretions may be acting to reduce a bubble’s surface tension, making it more elastic, more resistant to perturbations, and in the end, more likely to live longer on a water’s surface. This behavior, she noted, was similar to surface-active compounds, or surfactants, such as the compounds in detergents that make soap bubbles.

To test this idea, the researchers repeated the experiments, este tempo, trocando as bactérias para agentes tensioactivos sintéticos comuns, e descobriu que eles também produziram bolhas mais duradouros que também diluído dramaticamente após um determinado período de tempo. Esta experiência confirmou que as secreções das bactérias actuar como tensioactivos que se prolonga o tempo de vida de bolhas contaminados.

Os pesquisadores então olhou para uma explicação para a mudança drástica na taxa de desbaste de uma bolha contaminada. Em bolhas limpas, o afinamento da tampa foi principalmente o resultado de drenagem, as water in the cap mostly drains back into the fluid from which the bubble rose. Such bubbles live on the order of seconds, and their drainage speed continuously slows down as the bubble thins.

But if a bubble lasts past a critical time, evaporation starts playing a more dominant role than drainage, essentially shaving off water molecules from the bubble’s cap. The researchers concluded that, if a bubble contains bacteria, the bacteria and their secretions, make a bubble last longer on a water’s surface — long enough that evaporation becomes more important than drainage in thining the bubble’s cap.

As a bubble’s cap gets thinner, the droplets it will spray out when it inevitably bursts become smaller, faster, and more numerous. The team found that a single bacteria-laden bubble can create 10 times more droplets, which are 10 times smaller and ejected 10 times faster than what a clean bubble can produce. This amounts to hundreds of droplets that measure only a few dozens of microns and that are emitted at speeds of the order of 10 meters per second.

“The mechanism [Bourouiba] identified is also at work when foam bubbles burst at the surface of the ocean,” says Andrea Prosperetti, a professor of mechanical engineering at the University of Houston, que não estava envolvido na pesquisa. “The size of these tiny film droplets determines how well they can be picked up and carried by the wind. This process has significant implications for climate and weather. The same basic process affects the health hazards of oil spills in the ocean: The tiny film drops carry hazardous chemicals from the oil, which can be inhaled by people and animals in the coastal regions. assim, these humble, tiny drops have outsized consequences in many processes crucial to life.”


Fonte: http://news.mit.edu, by Jennifer Chu

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