In situ effective diffusion coefficient profiles in live biofilms using pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance.
In situ effective diffusion coefficient profiles in live biofilms using pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance.
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DOI：
10.1002/bit.22755
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发表时间：
2010-08-15
影响因子：
3.8
通讯作者：
Beyenal, Haluk
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Renslow, Ryan S.;Majors, Paul D.;McLean, Jeffrey S.;Fredrickson, Jim K.;Ahmed, Bulbul;Beyenal, Haluk
关键词：
生物膜中的扩散传质可用有效扩散系数来表征。据充分记载，有效扩散系数可以随生物膜中的位置而变化。目前的文献主要是有效的扩散系数测量不同的细胞簇和分层的生物膜显示这种空间变化。无论是否使用不同的细胞簇或表面平均方法，有效扩散系数的位置依赖性测量目前都是：1）对生物膜具有侵入性，2）在非自然条件下进行，3）对细胞具有致死性，和/或4）在空间上仅限于生物膜的某些区域。侵入性测量可能导致不准确的结果，并禁止进一步的（时间依赖性）测量，这是重要的生物膜的数学建模。在这项研究中，我们的目标是：1）测量水在活生物膜中的有效扩散系数，2）监测有效扩散系数在生长条件下如何随时间变化，以及3）将有效扩散系数与生物膜中的深度相关联。我们测量了在原位二维有效扩散系数图内希瓦氏菌oneidensis MR-1生物膜使用脉冲场梯度核磁共振方法，并用它们来计算表面平均相对有效扩散系数（Drs）的配置文件。我们发现1）Drs从生物膜的顶部到底部降低，2）不同年龄的生物膜的Drs曲线不同，3）Drs曲线随时间变化并且通常随时间降低，4）所有生物膜在生物膜顶部附近显示非常相似的Drs曲线，并且5）生物膜底部附近的Drs曲线对于每个生物膜是不同的。实际上，我们的研究结果表明，先进的生物膜模型应该使用可变的有效扩散率，随着时间和位置的生物膜。
Diffusive mass transfer in biofilms is characterized by the effective diffusion coefficient. It is well-documented that the effective diffusion coefficient can vary by location in a biofilm. The current literature is dominated by effective diffusion coefficient measurements for distinct cell clusters and stratified biofilms showing this spatial variation. Regardless of whether distinct cell clusters or surface-averaging methods are used, position-dependent measurements of the effective diffusion coefficient are currently: 1) invasive to the biofilm, 2) performed under unnatural conditions, 3) lethal to cells, and/or 4) spatially restricted to only certain regions of the biofilm. Invasive measurements can lead to inaccurate results and prohibit further (time-dependent) measurements which are important for the mathematical modeling of biofilms. In this study our goals were to: 1) measure the effective diffusion coefficient for water in live biofilms, 2) monitor how the effective diffusion coefficient changes over time under growth conditions, and 3) correlate the effective diffusion coefficient with depth in the biofilm. We measured in situ two-dimensional effective diffusion coefficient maps within Shewanella oneidensis MR-1 biofilms using pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance methods, and used them to calculate surface-averaged relative effective diffusion coefficient (Drs) profiles. We found that 1) Drs decreased from the top of the biofilm to the bottom, 2) Drs profiles differed for biofilms of different ages, 3) Drs profiles changed over time and generally decreased with time, 4) all the biofilms showed very similar Drs profiles near the top of the biofilm, and 5) the Drs profile near the bottom of the biofilm was different for each biofilm. Practically, our results demonstrate that advanced biofilm models should use a variable effective diffusivity which changes with time and location in the biofilm.
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