液滴蒸发过程中颗粒尺寸与浓度对大肠杆菌存活的影响机制研究

研究人员针对大气生物气溶胶中细菌存活率受颗粒物(PM)影响机制不明的问题，通过构建含微/纳米颗粒与大肠杆菌(E. coli)的液滴蒸发模型，发现细菌与颗粒的相对尺寸(RS)和相对浓度(RC)是决定多孔残留物结构及细菌存活的关键因素，为评估PM2.5/PM10对病原体传播的影响提供了新视角。

　　

在空气污染与传染病传播的双重威胁下，生物气溶胶中微生物的存活机制一直是环境健康领域的核心问题。传统研究多关注温湿度等环境因素，却忽视了无处不在的颗粒物(PM)可能扮演的关键角色。尤其令人担忧的是，像SARS-CoV-2这类通过气溶胶传播的病原体，其存活时间可能直接决定疫情扩散规模。然而，当细菌与PM共存于液滴时，它们会形成怎样的微观结构？这种结构又如何影响细菌的"苟延残喘"？这些谜题长期困扰着学术界。

韩国淑明女子大学(Sookmyung Women's University)机械系统工程系的Hyunji Myung团队在《Environmental Technology》发表的研究，通过精妙的实验设计和理论建模揭开了这一"液滴密室"中的生存法则。研究人员创新性地采用超疏水表面控制蒸发过程，结合荧光标记和共聚焦显微镜技术，首次系统解析了不同粒径(0.1μm/1μm/10μm)聚苯乙烯颗粒与大肠杆菌(E. coli)在蒸发残留物中的空间排布规律。

关键技术包括：(1)液滴撞击多孔表面生成生物气溶胶；(2)超疏水表面构建模拟空中蒸发环境；(3)菌落计数法量化存活率；(4)孔隙率理论模型预测蒸发时间。研究特别选取3μL标准化液滴，通过调节细菌浓度(OD600 0.05-0.4A)与颗粒体积比(固定0.064vol%)，建立12种实验组合。

【液滴蒸发两阶段模型】
研究发现蒸发过程呈现典型两阶段特征：初期自由蒸发阶段与后期多孔结构主导阶段。当10μm大颗粒与细菌共存时，高浓度细菌会像"水泥"般填充颗粒间孔隙，形成致密结构使蒸发时间延长3倍，相应存活率提升40%。而0.1μm纳米颗粒组则呈现相反趋势，印证了"尺寸效应"的关键作用。

【1μm的神奇拐点】
最令人惊讶的是1μm颗粒组——这个与细菌尺寸相近的"黄金比例"组别。无论细菌浓度如何变化，其存活率始终稳定在较高水平(约65%)。理论模型显示，这种"浓度无关性"源于特殊的双连续孔隙结构：细菌与颗粒相互交织形成迷宫般的通道，既保持水分又允许气体交换。

【生存策略的物理密码】
通过引入体积比(V_R=(V_p+V_b)/V_total)概念，团队发现：当细菌直径(d_b)小于颗粒(d_p)时，V_R与存活率呈正相关；当d_b≈d_p时，结构自组织产生稳定保护效应；而d_b＞d_p时则回归单纯浓度依赖模式。这完美解释了中东沙尘暴期间PM10与细菌浓度的异常正相关现象。

这项研究不仅建立了首个量化PM-细菌相互作用的物理模型，更揭示了气溶胶传播中曾被忽视的"尺寸匹配"效应。其提出的孔隙率计算公式可推广至病毒、真菌等微生物体系，为预测雾霾天气下的疾病传播风险提供了新工具。未来通过调整颗粒材质(如二氧化硅、碳颗粒)与复杂环境条件(如湍流、温湿度梯度)，或将绘制出更完整的空气微生物生存图谱。