Enhancement of bacterial rheotaxis in non-Newtonian fluids

牛顿流体 非牛顿流体 机械 剪切减薄 粘液 流变学 物理 热力学 生物 生态学
作者
Bryan O. Torres Maldonado,Albane Théry,Ran Tao,Quentin Brosseau,Arnold J. T. M. Mathijssen,Paulo E. Arratia
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (50)
标识
DOI:10.1073/pnas.2417614121
摘要

Many microorganisms exhibit upstream swimming, which is important to many biological processes and can cause contamination of biomedical devices and the infection of organs. This process, called rheotaxis, has been studied extensively in Newtonian fluids. However, most microorganisms thrive in non-Newtonian fluids that contain suspended polymers such as mucus and biofilms. Here, we investigate the rheotactic behavior of Escherichia coli near walls in non-Newtonian fluids. Our experiments demonstrate that bacterial upstream swimming is enhanced by an order of magnitude in shear-thinning (ST) polymeric fluids relative to Newtonian fluids. This result is explained by direct numerical simulations, revealing a torque that promotes the alignment of bacteria against the flow. From this analysis, we develop a theoretical model that accurately describes experimental rheotactic data in both Newtonian and ST fluids.
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