La adhesión bacteriana implica la unión (o deposición) de bacterias en la superficie (sólido, capa de gel, etc.). Esta interacción juega un papel importante en el sistema natural, así como en la ingeniería ambiental. La unión de biomasa en la superficie de la membrana dará como resultado el ensuciamiento de la membrana , lo que puede reducir significativamente la eficiencia del sistema de tratamiento que utiliza el proceso de filtración por membrana en las plantas de tratamiento de aguas residuales. [1] La baja adhesión de bacterias al suelo es una clave esencial para el éxito de la biorremediación in situ en el tratamiento de aguas subterráneas. [2] Sin embargo, la contaminación de patógenos en el agua potable podría estar relacionada con el transporte de microorganismos en las aguas subterráneas y otras fuentes de agua. [3] El control y la prevención del impacto adverso de la deposición bacteriana en el medio acuático necesitan una comprensión profunda de los mecanismos de este proceso. La teoría DLVO se ha utilizado ampliamente para describir la deposición de bacterias en muchas investigaciones actuales. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
La teoría DLVO describe el potencial de interacción entre superficies cargadas. Es la suma de la doble capa electrostática, que puede ser atractiva o repulsiva, y las interacciones atractivas de Van der Waals de las superficies cargadas. [2] La teoría DLVO se aplica ampliamente para explicar la agregación y deposición de partículas coloidales y nano, como el fulereno C60, en sistemas acuáticos. Debido a que las bacterias y las partículas coloidales comparten similitudes en tamaño y carga superficial, la deposición de bacterias también puede describirse mediante la teoría DLVO. [1] [2] [3] [4] La predicción se basa en la interacción esfera-placa para una célula y la superficie.
Las interacciones electrostáticas de doble capa podrían describirse mediante la expresión del potencial de superficie constante [2] [3] [4] [6]
Donde ε 0 es la permitividad del vacío , ε r es la permitividad dieléctrica relativa del agua, a p es el radio esférico equivalente de la bacteria, κ es la inversa de la longitud de Debye , h es la distancia de separación entre la bacteria y la superficie del colector; ψ p y ψ c son los potenciales de superficie de la célula bacteriana y la superficie del colector. Se utilizó el potencial zeta en la superficie de la bacteria y el colector en lugar del potencial de superficie.
El potencial de interacción de Van der Waals retardado se calculó utilizando la expresión de Gregory, 1981. [1] [2] [3] [4]
Con A es la constante de Hamaker para bacteria-agua-colector de superficie (cuarzo) = 6,5 x 10 −21 J y λ es la longitud de onda característica del dieléctrico y podría asumirse 100 nm, a es el radio equivalente de la bacteria, h es la distancia de separación del colector de superficie a la bacteria.
Por lo tanto, la interacción total entre las bacterias y la superficie cargada se puede expresar de la siguiente manera:
El sistema de flujo puntual estancado radial (RSPF) se ha utilizado actualmente para el experimento de adhesión bacteriana con la verificación de la teoría DLVO. Es un sistema experimental bien caracterizado y es útil para visualizar la deposición de bacterias individuales en la superficie plana de cuarzo con carga uniforme . [1] [3] La deposición de bacterias en la superficie se observó y estimó a través de un microscopio invertido y se registró a intervalos regulares (10 s o 20 s) con una cámara digital.
Flujo volado en el punto de estancamiento del flujo https://web.archive.org/web/20090418224617/http://www.yale.edu/env/alexis_folder/alexis_research_2b.jpg
Se han utilizado muchas tinciones bacterianas para los experimentos. Son:
Todas las cepas bacterianas tienen potencial zeta negativo a pH experimental (5,5 y 5,8) y menos se vuelven negativas a mayor fuerza iónica en soluciones de sales mono y divalentes. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Los colectores de superficie de cuarzo ultrapuro se han utilizado ampliamente debido a su homogeneidad de superficie, que es un factor importante para aplicar la teoría DLVO . [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] La superficie de cuarzo originalmente tiene potencial negativo. Sin embargo, la superficie de los colectores generalmente se modificó para tener una superficie positiva para los experimentos de deposición favorables. [2] [3] [4] [6] [7]
En algunos experimentos, el colector de superficie se recubrió con una capa de alginato con carga negativa para simular la película de acondicionamiento real en el sistema natural. [1] [5]
Se concluyó que la deposición bacteriana se produjo principalmente en un mínimo de energía secundaria utilizando la teoría DLVO. [2] [4] [6] El cálculo DLVO predijo una barrera de energía de 140 kT a una fuerza iónica de 31,6 mM a más de 2000 kT a una fuerza iónica de 1 mM. Estos datos no estaban de acuerdo con los datos experimentales, que mostraron un aumento de la deposición con un aumento de la fuerza iónica. [2] Por lo tanto, el depósito podría ocurrir en un mínimo secundario con una energía de 0,09 kT a 8,1 kT a 1 mM y 31,6 mM de fuerza iónica, respectivamente. [2] La conclusión se demostró además por la liberación parcial de bacterias depositadas cuando la fuerza iónica disminuyó. Debido a que la cantidad de bacterias liberadas fue inferior al 100%, se sugirió que las bacterias podrían depositarse en el mínimo primario debido a la heterogeneidad del colector de superficie o la superficie bacteriana. Este hecho no estaba cubierto en la teoría clásica DLVO. [2]
La presencia de electrolitos divalentes (Ca 2+ ) puede neutralizar la superficie de carga de las bacterias mediante la unión entre Ca 2+ y el grupo funcional en la superficie del ooquiste. [4] Esto resultó en una deposición bacteriana observable a pesar de la energía repulsiva electrostática muy alta de la predicción DLVO.
La motilidad de las bacterias también tiene un efecto significativo en la adhesión bacteriana. Las bacterias inmóviles y móviles mostraron un comportamiento diferente en los experimentos de deposición. [1] [5] [7] A la misma fuerza iónica, las bacterias móviles mostraron una mayor adhesión a la superficie que las bacterias inmóviles y las bacterias móviles pueden adherirse a la superficie del colector a alta fuerza electrostática repulsiva. [1] Se sugirió que la energía de natación de las células podría superar la energía repulsiva o pueden adherirse a regiones de heterogeneidad en la superficie. La capacidad de natación aumenta con la fuerza iónica y 100 mM es la concentración óptima para la rotación de los flagelos. [7]
A pesar de la energía de repulsión electrostática del cálculo DLVO entre las bacterias y el colector de superficie, la deposición podría ocurrir debido a otras interacciones como el impacto estérico de la presencia de flagelos en el entorno celular y la fuerte hidrofobicidad de la célula. [1]
![{\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 \}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b484900b2910cd80a15c8784b775e57df02f392f)
![{\displaystyle V_{VdW}=-{\frac {Aa_{p}}{6h}}{\bigg [}1+{\frac {14h}{\lambda }}{\bigg ]}^{-1}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fd816d56623c65cfea9e177d0541dabe4f4a80e6)
![{\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}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2a6ebec045038e361f106ce6961622ab0aa16a0d)