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电场下细菌的三维动态行为

2020-12-08阅读(135)

电场下细菌的三维动态行为

论文摘要

细菌生物被膜是指细菌吸附于物体表面后,被自身分泌的胞外多聚物（Extracellular Polymeric Substances,EPS）包裹其中而形成的一种空间结构群落。生物被膜可引起感染性疾病和环境污损等问题。细菌粘附是生物被膜生长的第一步。因此,抑制细菌粘附可有效防治生物被膜。已有研究表明电场可抑制细菌的粘附,然而人们对电场与细菌间的相互作用机理,即电场如何影响细菌在表面附近的动态行为仍缺乏清晰的理解。本论文利用实验室自制的三维光学观测工具——数字全息显微镜（Digital Holographic Microscope,DHM）观察大肠杆菌（Escherichia coli）HCB1（野生型）及其变种HCB1414（（35）cheY（35）che Z,non-tumbling）在直流以及交流电场下的三维动态行为,探索了影响细菌粘附的因素,同时研究了如何利用电场和图案化电极实现细菌的附着控制。主要结论如下:（1）交流电场的周期（T）是影响E.coli运动行为的关键因素。在直流电场和长周期交流电场下（T≥1 s）,细菌趋电性主导其行为。在细菌趋电性的作用下,近界面细菌密度的变化取决于表面起始的极化方向。两种E.coli细菌的运动轨迹中受限运动的比例增大,且HCB1更加频繁发生翻滚转向运动（tumble）。与不施加电场相比,在短周期（T≤0.1 s）交流电场作用下,近界面的细菌密度始终减小10-20%,此现象与表面起始极化方向无关。鞭毛染色以及朝向角分布数据进一步表明电场显著影响细菌运动过程中的固有菌体摆动幅度。在直流电场和长周期交流电场下,E.coli菌体的摆动幅度增大同时运动速度减小,使得界面附近细菌的运动模式发生改变。相反,随着交流电场的周期逐渐变短至低于细菌菌体自身的固有摆动周期时（T≤0.1 s）,菌体摆动幅度会受到抑制,使细菌与表面发生碰撞的概率减小,导致近界面细菌密度减小进而减少粘附。（2）通过设计条形图案化微尺度电极实现细菌的选择性粘附。当直流电以及低频交流电（0.1 Hz）作用于图案化电极时,在电泳力以及细菌自身的趋电性作用下,近界面细菌密度在水平方向的分布发生变化,导致细菌在不同区域的差异性附着。高频交流电场（1 KHz≥f≥10 Hz）作用于图案化电极时,细菌在水平方向上的密度分布不存在差异性。而在极高频率下（1 KHz）,交流电作用引起近界面细菌密度降低约30%,进而抑制细菌与表面的粘附。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 电场杀菌的应用
  •     1.2.1 食品行业
  •     1.2.2 水处理
  •     1.2.3 医疗器械
  •     1.2.4 海洋防污
  •   1.3 电场的杀菌作用及机理
  •     1.3.1 杀菌作用
  •     1.3.2 电场杀菌机理
  •   1.4 电场对细菌运动及粘附的影响
  •     1.4.1 电场对细菌粘附的抑制
  •     1.4.2 电场对近界面细菌的运动的影响
  •   1.5 本论文的主要内容
  • 第二章 数字全息显微镜
  •   2.1 数字全息技术
  •   2.2 数字全息显微术的原理
  •     2.2.1 波前记录及波前再现过程
  •     2.2.2 重构过程
  •     2.2.3 细菌运动行为分析
  •   2.3 数字全息显微术的应用
  •     2.3.1 三维形貌
  •     2.3.2 实时三维追踪
  • 第三章 电场下大肠杆菌的动态行为研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 实验部分
  •     3.2.1 细菌培养
  •     3.2.2 流动池装置
  •     3.2.3 细菌活性测试
  •     3.2.4 细菌的鞭毛染色实验
  •     3.2.5 大肠杆菌的三维追踪
  •   3.3 结果与分析
  •     3.3.1 电场对大肠杆菌运动模式的影响
  •     3.3.2 电场对大肠杆菌三维运动朝向角的影响
  •     3.3.3 电场对大肠杆菌密度的影响
  •     3.3.4 高频电场下近界面细菌密度减小的原因
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 大肠杆菌在导电图案化表面的动态行为研究
  •   4.1 前言
  •   4.2 实验部分
  •     4.2.1 细菌培养
  •     4.2.2 流动池装置
  •     4.2.3 表面性质表征
  •     4.2.4 大肠杆菌的三维追踪
  •   4.3 实验结果分析
  •     4.3.1 细菌密度水平分布
  •     4.3.2 三维速度分布
  •     4.3.3 高频电场下细菌密度减小的原因
  •   4.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 致谢
  • 附件

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 周鑫

    导师: 赵俊鹏,龚湘君

    关键词: 数字全息显微镜,细菌粘附,三维动态行为,电场

    来源: 华南理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 生物学

    单位: 华南理工大学

    分类号: Q93

    DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.001470

    总页数: 75

    文件大小: 12257K

    下载量: 80

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