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細菌はおよそ１ミリメートルの千分の１程度の大きさの微生物であるが、多くの細菌種は１秒間にその体長の30倍から100倍もの距離を泳ぐことができる。こうした活発な遊泳行動は、海や湖、あるいは工業プラントなどの水圏環境において、餌となる有機物を得るのに役立っていると考えられている。一方で、こうした実際の水圏環境は、水が複雑に渦をまく乱流によって特徴づけれられる。こうした乱流は、餌となる有機物を複雑に移動させる一方で、遊泳する微生物の運動にも影響を与える。乱流は微生物と餌との出会いに様々な影響を与えると予想されてきたが、乱流により複雑に運動する水の中で微生物と餌とが出会う様子を観察することはこれまで技術的に難しく、果たして乱流は遊泳微生物による栄養獲得にプラスの影響を与えているのか、あるいはマイナスの影響を与えているのかについて、実証的な知見が存在しなかった。
本研究では、新たに開発したマイクロ流体ロボティクス技術により、こうした乱流のなかでの微生物と餌との相互作用を直接可視化することに成功し、さまざまな強度（エネルギー投入量）の乱流が微生物による餌の獲得に与える効果について、広範な実証的データを得た。新たに開発したマイクロ流体ロボティクス装置は、餌（溶存態有機物）の塊が乱流によって引き延ばされる現象を再現することができる。さらに、引き延ばされる餌と、遊泳微生物が群がる要するをリアルタイムで可視化することができる。この分析から、適切な強度の乱流は遊泳微生物の餌との会合確率を高める一方で、強すぎる、あるいは弱すぎる強度の乱流はマイナスの影響を与えることが明らかになった。この知見は、海洋など水圏において微生物が媒介する炭素化合物循環に乱流が与える影響を示唆するとともに、工業プラントにおける適切な攪拌についても新たな知見を提供する。
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