Ovunque ci sia acqua, ci saranno sicuramente delle bolle che galleggiano in superficie. Dalle pozzanghere in piedi, laghi, e ruscelli, alle piscine, bagni caldi, fontane pubbliche, e servizi igienici, le bolle sono onnipresenti, dentro e fuori.

Un nuovo studio del MIT mostra come le bolle contaminate da batteri possono agire come minuscole granate microbiche, scoppiando e lanciando microrganismi, compresi potenziali agenti patogeni, fuori dall'acqua e in aria.

Nello studio, pubblicato oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno scoperto che i batteri possono influenzare la longevità di una bolla:una bolla ricoperta di batteri che galleggia sulla superficie dell'acqua può durare più di 10 volte più a lungo di una non contaminata, persistente per minuti invece che per secondi. Durante questo periodo, il cappuccio della bolla contaminata si assottiglia. Più sottile è la bolla, maggiore è il numero di goccioline che può lanciare in aria quando la bolla inevitabilmente scoppia. Una sola goccia, i ricercatori stimano, può trasportare fino a migliaia di microrganismi, e ogni bolla può emettere centinaia di goccioline.

"Abbiamo scoperto che i batteri possono manipolare le interfacce in un modo che può migliorare la propria dispersione acqua-aria, "dice Lydia Bourouiba, assistente professore di ingegneria civile e ambientale e direttore del Laboratorio di fluidodinamica della trasmissione delle malattie.

Il coautore di Bourouiba sull'articolo è lo studente laureato Stephane Poulain.

Qualcosa nell'acqua

Bourouiba ha trascorso gli ultimi anni a creare meticolosamente, immagini, e caratterizzante pulito, bolle incontaminate, con l'obiettivo di stabilire una linea di base del normale comportamento delle bolle.

"Dovevamo prima capire la fisica delle bolle pulite prima di poter aggiungere organismi come i batteri per vedere quale effetto hanno sul sistema, "Dice Bourouiba.

Come succede, i ricercatori hanno notato per la prima volta l'effetto dei batteri un po' per caso. Il team stava per trasferirsi in un nuovo spazio di laboratorio, e nella mischia, un bicchiere d'acqua era stato lasciato all'aperto. Quando il ricercatore lo utilizzò in esperimenti successivi, i risultati non sono stati quelli che la squadra si aspettava.

"Le bolle prodotte da quest'acqua sono vissute molto più a lungo ed hanno avuto una peculiare evoluzione diradamento rispetto a quella delle tipiche bolle di acqua pulita, "dice Pollino.

Bourouiba sospettava che l'acqua fosse stata contaminata, e il team ha presto confermato la sua ipotesi. Hanno analizzato l'acqua e hanno trovato prove di batteri che sono naturalmente presenti all'interno.

L'effetto succo

Per studiare direttamente l'effetto dei batteri sulle bolle, il team ha organizzato un esperimento in cui hanno riempito una colonna con una soluzione di acqua e varie specie di batteri, compreso E. coli. I ricercatori hanno sviluppato un sistema per generare bolle con una pompa ad aria, uno alla volta, all'interno della colonna, per controllare il volume e la dimensione di ogni bolla. Quando una bolla salì in superficie, il team ha utilizzato l'imaging ad alta velocità abbinato a una serie di tecniche ottiche per catturare il suo comportamento, in superficie e mentre esplodeva.

I ricercatori hanno osservato che, una volta che una bolla contaminata da E. coli è arrivata alla superficie dell'acqua, la propria superficie, o berretto, ha iniziato subito a diradarsi, principalmente drenando nuovamente in acqua, come un guscio di cioccolato che si scioglie. Questo comportamento era simile a quello delle bolle incontaminate.

Ma le bolle contaminate sono rimaste sulla superficie più di 10 volte più a lungo delle bolle non contaminate. E dopo un periodo critico, le bolle cariche di batteri hanno iniziato a diradarsi molto più velocemente. Bourouiba sospettava che potessero non essere i batteri stessi, ma quello che secernono, che mantiene la bolla in posizione più a lungo.

"I batteri sono vivi, e come qualsiasi cosa viva, fanno rifiuti, e che lo spreco in genere è qualcosa che potrebbe potenzialmente interagire con l'interfaccia della bolla, " Dice Bourouiba. "Così abbiamo separato gli organismi dal loro 'succo'".

I ricercatori hanno lavato via i batteri dalle loro secrezioni, poi hanno ripetuto i loro esperimenti, utilizzando le secrezioni dei batteri. Proprio come sospettava Bourouiba, le bolle contenenti le sole secrezioni duravano molto più a lungo delle bolle pulite. Le secrezioni, il gruppo ha concluso, deve essere l'ingrediente chiave per prolungare la vita di una bolla. Ma come?

Ancora, Bourouiba aveva un'ipotesi:le secrezioni batteriche potrebbero agire per ridurre la tensione superficiale di una bolla, rendendolo più elastico, più resistente alle perturbazioni, e alla fine, più probabilità di vivere più a lungo sulla superficie dell'acqua. Questo comportamento, ha notato, era simile ai composti tensioattivi, o tensioattivi, come i composti dei detersivi che fanno le bolle di sapone.

Per testare questa idea, i ricercatori hanno ripetuto gli esperimenti, questa volta sostituendo i batteri con comuni tensioattivi sintetici, e scoprirono che anche loro producevano bolle più durature che si assottigliavano drasticamente dopo un certo periodo di tempo. Questo esperimento ha confermato che le secrezioni dei batteri agiscono come tensioattivi prolungando la durata delle bolle contaminate.

I ricercatori hanno quindi cercato una spiegazione per il drastico cambiamento nel tasso di assottigliamento di una bolla contaminata. In bolle pulite, l'assottigliamento del cappello era principalmente il risultato del drenaggio, poiché l'acqua nel tappo defluisce principalmente nel fluido da cui è sorta la bolla. Tali bolle vivono nell'ordine dei secondi, e la loro velocità di drenaggio rallenta continuamente man mano che la bolla si assottiglia.

Ma se una bolla dura oltre un momento critico, l'evaporazione inizia a svolgere un ruolo più dominante del drenaggio, essenzialmente radendo le molecole d'acqua dal cappuccio della bolla. I ricercatori hanno concluso che, se una bolla contiene batteri, i batteri e le loro secrezioni, far durare una bolla più a lungo sulla superficie dell'acqua, abbastanza a lungo che l'evaporazione diventa più importante del drenaggio nell'assottigliare il cappuccio della bolla.

Come il tappo di una bolla si assottiglia, le goccioline che spruzzerà quando esploderà inevitabilmente diventano più piccole, Più veloce, e più numerosi. Il team ha scoperto che una singola bolla carica di batteri può creare 10 volte più goccioline, che sono 10 volte più piccoli ed espulsi 10 volte più velocemente di quanto può produrre una bolla pulita. Si tratta di centinaia di goccioline che misurano solo poche decine di micron e che vengono emesse a velocità dell'ordine dei 10 metri al secondo.

"Il meccanismo [Bourouiba] identificato è anche all'opera quando le bolle di schiuma scoppiano sulla superficie dell'oceano, "dice Andrea Prosperetti, professore di ingegneria meccanica all'Università di Houston, che non è stato coinvolto nella ricerca. "La dimensione di queste minuscole goccioline di pellicola determina quanto bene possono essere raccolte e trasportate dal vento. Questo processo ha implicazioni significative per il clima e le condizioni meteorologiche. Lo stesso processo di base influisce sui rischi per la salute delle fuoriuscite di petrolio nell'oceano:la minuscola pellicola le gocce trasportano sostanze chimiche pericolose dall'olio, che può essere inalato da persone e animali nelle regioni costiere. Così, questi umili, minuscole gocce hanno conseguenze fuori misura in molti processi cruciali per la vita."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.