ТЕПЛОВАЯ БИОКОНВЕКЦИЯ ГРАВИТАКТИЧЕСКИХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Автор: Иван Николаевич Черепанов
Соавторы: Смородин Б.Л
Организация: ПГНИУ
Биоконвекция – макроскопические течения, вызванные коллективным перемещением (плаванием) большого количества самодвижущихся микроорганизмов [1]. Без внешнего воздействия микроорганизмы перемещаются случайным образом, но средняя скорость их движения может приобретать некоторое значение, под действием внешних факторов. Если средняя скорость движения микроорганизмов направлена против силы тяжести, говорят про отрицательный гравитаксис, если скорость сонаправлена с полем тяжести, гравитаксис положительный. Концентрация ионов определенных тяжелых металлов, (ртуть, свинец, кадмий, медь), заставляет клетки, например, фотосинтезирующей жгутиковой водоросли Euglena gracilis переключаться с положительного на отрицательный гравитаксис [2]. Такое поведение бактерий меняет характер конвективного движения, что может быть использовано, для мониторинга, анализа и диагностики водных объектов, загрязненных тяжелыми металлами. Важной особенностью биоконвекции является то, что коэффициенты диффузии активной среды микроорганизмов (значительно выше, чем в молекулярных жидких смесях, что на порядок увеличивает вклад диффузионного транспорта в перераспределение концентрации.
Проанализирована конвекция микроорганизмов в слое толщиной для положительного (отрицательного гравитаксиса). Из-за конкуренции тепловой конвекции и самодвижения бактерий в случае положительного гравитаксиса возможны колебательные неустойчивости и нелинейные конвективные режимы. Для водоросли Euglena gracilis в воде (Pr=7, Sc=20, Pe==1) исследованы условия возникновения и нелинейная динамика биоконвективных структур. При положительном гравитаксисе колебательное поведение функции тока в локальной точке ячейки максимального значения функции тока в ячейке представлены на рис. а. Такое поведение соответствует режиму стоячей волны (SW). Получена бифуркационная диаграмм протяженных состояний (рис. b), на которой с ростом числа Релея R в результате бифуркации вперед рождается стоячая волна, а затем после второй бифуркации возникает режим стационарной конвекции. Для различных режимов биоконвекции получены распределения функции тока, температуры и концентрации микроорганизмов.
«Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-21-20108, https://rscf.ru/project/25-21-20108/ при финансовой поддержке Пермского края».
