北航新闻网10月31日电 近日，北航物理学院胡世渊副教授与合作实验课题组在《Physical Review Letters》上发表了题为“Confinement Reduces Surface Accumulation of Swimming Bacteria”的论文。

细菌是地球上生物量的重要组成部分。然而，由于我们需要借助显微镜才能看见它们，往往会忽视它们的存在。观察海洋中的生命时，我们看到的是鱼类和甲壳类动物，却看不到数量远远超过它们的海洋细菌；陆地上，我们注意到动物和植物，但常常忘记一个人身体中的细菌数量也十分庞大。细菌通常生活在空间尺度为微米量级的受限环境中，其在受限环境中的动力学行为不仅对菌落生长、生物膜形成以及致病感染等多种微生物过程具有关键作用，也对活性物质集群行为的研究具有重要意义。细菌在流体环境中呈现显著的界面富集现象(surface accumulation)。近年来，细菌在界面附近的游泳行为受到广泛关注。众多实验和理论计算研究表明，细菌与界面的流体相互作用(hydrodynamic interactions)和位阻效应(steric interaction)共同影响了富集现象。但以往研究主要集中在由单一边界组成的半无穷大空间，针对受限环境的研究相对较少。

该工作结合实验、理论与数值计算，研究了大肠杆菌(Escherichia coli)在两平行板受限环境中的富集行为。胡世渊从理论角度推导了细菌游泳所导致扰动流场的力偶和力四极子表达式，构建了基于Smoluchowski方程细菌分布演化的连续介质模型，该模型同时考虑了细菌与边界的流体相互作用和位阻效应，发展了在两平行板受限环境下Stokes方程多极子展开(multipolar expansion)数值算法，首次在流体相互作用中同时引入力偶极子(forcedipole)效应和力四极子(forcequadrupole)效应。

通过与实验结果的定量对比，发现以往研究中所忽略的力四极子是细菌在受限环境中体相富集(bulk accumulation)的关键因素。计算表明，不同于力偶极子产生的指向界面的吸引流场，力四极子会产生使细菌转向进而偏离界面的旋转流场。尽管力四极子比力偶极子衰减快，其偏转效应与细菌的定向游泳行为共同作用，对体相浓度具有重要影响。受限程度越强，力四极子影响越显著。与侧壁的碰撞过程更能体现力四极子的效应。胡世渊在该工作中还开展了具有限体积的活性布朗粒子模拟，其结果同样和实验定量吻合，发现力四极子会显著增大细菌与侧壁碰撞后的出射角度，进一步证实了力四极子对细菌的偏转效应。

该工作揭示了高阶流体力学奇点(hydrodynamic singularity)——力四极子对细菌在界面附近以及受限环境中动力学行为的重要性，给出了力偶、力四极子对细菌特征参数（如长度、驱动力和细胞体大小）的依赖关系，为调控细菌和活性粒子的富集行为提供了理论指导。同时，从理论和计算角度提供了在受限微环境中引入高阶流体力学奇点的可行思路，为研究微生物个体和集群行为提供了新途径。

物理学院胡世渊副教授为该论文共同第一作者，完成了理论和数值计算部分，实验部分由中国科学院物理研究所魏达副研究员、彭毅研究员课题组完成，合作者还有中国科学院理论物理研究所孟凡龙研究员课题组。该工作得到了国家自然科学基金和北航基本科研业务费的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/dvc8-tlh1

（审核：王菲）

编辑：贾爱平