水平管中的剪切生物对流

近年来利用微生物生产生物燃料的兴趣足以成为研究在施加流动的管中生物对流和细胞扩散的动机。为了优化光和营养的吸收，许多微生物会沿着受环境线索（例如藻类的趋光性和细菌的趋化性）偏好的方向游动。这种趋向性不可避免地导致细胞聚集，而由于许多微生物的密度与流体不同，这可能会引发流体动力学不稳定性。由此产生的大尺度流体流动和壮观图案被称为生物对流。然而，施加的流体流动在多大程度上影响或抑制生物对流，以及生物对流如何影响平均流动剖面和细胞输运，这些都是悬而未决的问题。本实验研究首次通过量化在施加流动的水平管中由趋重性和趋旋性绿色双鞭毛藻类——衣藻——悬浮液产生的图案来探讨这些问题。在没有流动的情况下，针对三种不同的管径，确定了图案起始时主导图案波长对细胞浓度的依赖性。对于较小的施加流动，观察到细胞的垂直羽流仅在流动方向上弯曲。对于足够高的流速，羽流逐渐碎裂成分段线性的对角羽流，意外地以恒定角度倾斜并以固定速度平移。图案波长通常随流速增加而增长，并在取决于浓度的临界速率处发生转变。即使在施加高流速的情况下，生物对流也未被完全抑制，并且会扰动流场。