一个物体在浸入水体的最初几分钟内，细菌等微生物就会在其表面开始富集，后续的表面生态也自此而始。这种富集是生物被膜形成和生物污损的第一步，与医疗器械感染、舰船防污、工业管道堵塞等问题密切相关，也是微流控芯片和药物递送载体设计中必须考虑的因素。此前的研究往往关注细菌与表面的流体力学相互作用，以及个体行为如何形塑这种表面富集，但对近表面微生物间的多体作用的效果知之甚少。然而，不论是在自然界（如肠道等）的表面，还是在以微纳活性单元集群输运的理想场景中，表面附近的拥挤环境都不可避免。拥挤的环境究竟如何影响活性微元的界面行为，亟待定量的刻画。

　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质物理实验室SM08组魏达副研究员、杨明成研究员团队，与SM07组、中国科学技术大学合作，通过系统的单细胞追踪实验发现：随着悬浮液密度升高，尽管到达表面的细菌总数仍在增加，但相对于体相密度的“相对表面积累”却显著下降。进一步测量表明，被俘获在表面附近的细菌，其平面内和平面外的转动扩散系数均随密度增大而增大，取向涨落明显加剧。

　　在此基础上，团队考察了形状与行为各异的细菌个体，并对不同相互作用机制的场景进行了不同颗粒度的数值模拟。各实验与模拟的结果可归一到同一条关系曲线，由此确认这种取向扰动等效于一种随密度升高的“加热”效应——密度越高，“有效温度”越高，细菌就越容易从表面逃逸。以最简单的单粒子平均场模型，就可以抓住该多体、多机制的复杂问题的核心图像。研究团队将这一机制概括为“密度诱导的有效加热”（density-induced effective heating）：在自然浓度（10⁸–10¹⁰ cell/mL）下，它是主导细菌表面富集与逃逸的核心机制。该工作建立了“拥挤—取向涨落—表面逃逸”之间的定量联系，为理解微生物在复杂拥挤环境中的表面行为提供了新的物理框架，有望为抗生物污损表面设计、微流控系统优化以及基于细菌的药物递送载体开发提供理论指导。

　　相关成果以“Crowding limits relative bacterial surface accumulation with density-induced effective heating”为题发表于《美国国家科学院院刊》。本工作由中科院物理所SM08组魏达副研究员负责（第一作者与通讯作者），中国科学技术大学柳耀彩博士、中国科学技术大学何瑞特聘副研究员、中科院物理所SM08组黎龙飞博士后为共同第一作者；中科院物理所SM08组杨明成研究员、中国科学技术大学袁军华教授、中科院物理所SM07组彭毅研究员为共同通讯作者。该工作得到教育部和国家自然科学基金资助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2536051123

图. （上，艺术示意图）拥挤悬浮液中，密度诱导的“有效加热”驱使细菌逃离表面。（下）拥挤环境对于界面富集的普适削弱效应。