Используя изображения с высоким разрешением, исследователи из отдела машиностроения Массачусетского технологического института наблюдали эффект падения дождевых капель на сухую почву, насыщенную бактериями. При падении со скоростью, имитирующей скорость легкого дождя, при температурах, аналогичных температурам в тропических регионах, капли выпускали брызги тумана или аэрозоли. Каждый аэрозоль выносил из почвы до нескольких тысяч бактерий. Исследователи обнаружили, что бактерии оставались живыми более часа.
«Если бы эти переносимые по воздуху бактерии были подняты ветром дальше, они могли бы пройти приличное расстояние, прежде чем вернуться на землю, чтобы колонизировать новое место», — говорит Каллен Буйе, доцент кафедры развития карьеры Эстер и Гарольд Эдергтон на кафедре механики. Инженерное дело.«Представьте, что у вас есть растение, зараженное патогеном в определенной области, и этот патоген распространился на местную почву», — говорит Буйе. «Теперь мы обнаружили, что дождь может еще больше разогнать его.
Искусственные капли из спринклерных систем также могут привести к такому типу рассеивания. Так что это [исследование] имеет значение для того, как вы можете сдерживать патоген».Кроме того, команда подсчитала, что осадки во всем мире могут быть ответственны за от 1 до 25 процентов от общего количества бактерий, выбрасываемых с суши.Соавторы Буйе — постдок Чжифэй Ге и бывший постдок и ведущий автор Ёнсу Чжон.
После всплескаВ 2015 году Буйе и его коллеги определили механизм, с помощью которого дождь производит аэрозоли: когда падающая капля соприкасается с землей, она улавливает крошечные пузырьки воздуха на поверхности земли, которые поднимаются и лопаются через каплю, создавая брызги большого количества воздуха. более мелкие капли воды или аэрозоли. В то время группа предположила, что этот механизм может объяснить происхождение «петрихора» — характерного землистого запаха, который часто возникает после ливня.Вскоре после того, как группа опубликовала свои результаты, группа британских ученых связалась с Буйе, чтобы узнать, может ли этот же механизм дождя способствовать распространению бактерий, в частности Burkholderia pseudomallei, бактерии, которая живет в почве и, как известно, вызывает инфекции легких у людей. известный как мелиодоз.
«Они заметили качественный рост числа инфекций этой болезни после дождя, и они предположили, что эта конкретная почвенная бактерия распространяется в воздухе после дождя», — говорит Буйе.Запрос группы вызвал у Буйе любопытство относительно того, может ли дождь способствовать распространению бактерий в целом.«Это было одной из первоначальных мотиваций для нас даже попробовать некоторые из этих экспериментов, чтобы увидеть, могут ли бактерии в целом распространяться и оставаться живыми во время процесса», — говорит Буйе.
"Идеальная скорость"В лаборатории команда исследовала влияние дождя на три непатогенных вида почвенных бактерий, которые они внедрили в шесть типов сухой почвы, включая глину, песчаную глину и песок.Исследователи смоделировали дождь, капая отдельные капли воды с разной высоты через отверстие небольшого диска, который был помещен прямо над образцом почвы, чтобы улавливать любые аэрозоли, вырывающиеся с поверхности.
Они варьировали температуру поверхности почвы, а также высоту, на которой капля была выпущена, чтобы ускорить или замедлить скорость удара капли, тем самым имитируя определенную интенсивность дождя.Они обнаружили, что капли производят наибольшее количество аэрозолей в почвах с температурой около 86 градусов по Фаренгейту, аналогичной почвам в тропических регионах. Капли также производили больше аэрозолей при попадании на песчано-глинистые почвы; песок имел тенденцию полностью впитывать капли до того, как могли образоваться пузырьки или аэрозоли.
Исследователи также наблюдали более высокое количество аэрозолей, когда капли падали со скоростью от 1,4 до 1,7 метра в секунду — примерно с интенсивностью легкого ливня.«На такой подходящей скорости вода впитывается в почву, не разбрызгиваясь, но достаточно быстро, чтобы задерживать воздух», — объясняет Буйе. «Этот захваченный воздух выходит в виде пузырьков, которые лопаются, высвобождая аэрозоли. Мы обнаружили взаимосвязь между распределением размера аэрозоля и количеством лопнувших пузырьков».
Команда собрала аэрозоли, которые попали на маленький диск, и перенесла их в чашки для культивирования, чтобы подсчитать количество бактерий в каждом аэрозоле. Они обнаружили, что количество бактерий варьируется от нуля до нескольких тысяч в одной капле дождя, в зависимости от типа почвы, плотности бактерий в данной почве, температуры почвы и скорости удара капли.Пройдя еще один шаг, команда определила три основных параметра, необходимых для оценки общего количества бактерий или других частиц, которые могут быть рассеяны одной каплей дождя, ударяющейся о пористую поверхность: плотность бактерий и пузырьков воздуха на данной поверхности и параметр, который они называют эффективностью аэрозолизации — отношение количества бактерий на поверхности к количеству бактерий, которые в конечном итоге рассеялись с этой поверхности.
Используя эти три параметра, а также оценки общей площади суши и режима осадков в мире, исследователи подсчитали, что общее количество бактерий, рассеиваемых каплями дождя, может варьироваться от 10 000 триллионов до 800 000 триллионов клеток в год. В результате глобальные осадки могут способствовать высвобождению от 1,6 до 25 процентов общего количества бактерий с суши.
«Требуются дальнейшие исследования, чтобы сузить диапазон глобального выброса бактерий дождем, но образование аэрозолей из-за дождя может быть основным механизмом переноса бактерий в окружающую среду», — говорит Джунг. «Дальнейшая работа над этими выводами может дать новые ключи к отслеживанию почвенных бактерий, вызывающих инфекции у людей, животных и растений, а также воздействия на климат из-за образования облаков и образования льда».