Surface-specific nonlinear vibrational spectroscopy, combined with bulk solution measurements and imaging, is used to study the surface conditions during the growth of E. coli. As a result of the silica high surface charge density, the water structure at the silica–aqueous interface is known to be especially sensitive to pH and ionic strength, and surface concentration profiles develop that can be appreciably different from the bulk solution conditions. We illustrate that, in the presence of growing cells, a unique surface micro-environment is established as a result of metabolites accumulating on the silica surface. Even in the subsequent absence of the cells, this surface layer works to reduce the interfacial ionic strength as revealed by the enhanced signal from surface water molecules. In the presence of growing cells, an additional boost in surface water signal is attributed to a local pH that is higher than that of the bulk solution.

1.
D. G.
Castner
and
B. D.
Ratner
,
Surf. Sci.
500
,
28
(
2002
).
2.
K. C.
Dee
,
D. A.
Puleo
, and
R.
Bizios
, in
An Introduction to Tissue-Biomaterial Interactions
(
Wiley
,
2002
), Chap. 3, pp.
37
52
.
3.
H.-C.
Flemming
and
J.
Wingender
,
Nat. Rev.
8
,
623
(
2010
).
4.
A. H. L.
Chamerlain
,
Biofilms Sci. Technol.
223
,
59
(
1992
).
5.
D.
Bakker
,
J. W.
Klijnstra
,
K. J.
Busscher
, and
H. C.
van der Mei
,
Biofouling
19
,
391
(
2003
).
6.
I. B.
Beech
,
R.
Gubner
,
V.
Zinkevich
,
L.
Hanjangsit
, and
R.
Avci
,
Biofouling
16
,
93
(
2000
).
7.
P.
Stoodley
,
J. D.
Boyle
,
D.
deBeer
, and
H. M.
Lappin-Scott
,
Biofouling
14
,
75
(
1999
).
8.
M.
Simões
,
L. C.
Simões
, and
M. J.
Vieira
,
LWT–Food Sci. Technol.
43
,
573
(
2010
).
9.
I. W.
Sutherland
,
Microbiology
147
,
3
(
2001
).
10.
H.
Ceri
,
M. E.
Olson
,
C.
Stremick
,
R. R.
Read
,
D.
Morck
, and
A.
Buret
,
J. Clin. Microbiol.
37
,
1771
(
1999
).
11.
M.
Simoes
,
Curr. Med. Chem.
18
,
2129
(
2011
).
13.
P. N.
Danese
,
L. A.
Pratt
, and
R.
Kolter
,
Methods Enzymol.
336
,
19
(
2001
).
14.
K. E.
Eboigbodin
and
C. A.
Biggs
,
Biomacromolecules
9
,
686
(
2008
).
15.
I.
Eshet
,
V.
Freger
,
R.
Kasher
,
M.
Herzberg
,
J.
Lei
, and
M.
Ulbricht
,
Biomacromolecules
12
,
2681
(
2011
).
16.
L. D.
Renner
and
D. B.
Weibel
,
MRS Bull.
36
,
347
(
2011
).
17.
E.
Bulard
,
M.-P.
Fontaine-Aupart
,
H.
Dubost
,
W.
Zheng
,
J.-M.
Herry
,
M.-N.
Bellon-Fontaine
,
R.
Briandet
, and
B.
Bourguignon
,
Spectrosc. Int. J.
27
,
571
(
2012
).
18.
E.
Bulard
,
Z.
Guo
,
W.
Zheng
,
H.
Dubost
,
M.-P.
Fontaine-Aupart
,
M.-N.
Bellon-Fontaine
,
J.-M.
Herry
,
R.
Briandet
, and
B.
Bourguignon
,
Langmuir
27
,
4928
(
2011
).
19.
R. E.
Baier
,
J. Biomech. Eng.
104
,
257
(
1982
).
20.
N.
Yee
,
J. B.
Fein
, and
C. J.
Daughney
,
Geochim. Cosmochim. Acta
64
,
609
(
2000
).
21.
W.
Norde
and
J.
Lyklema
,
Colloids Surf.
38
,
1
(
1989
).
22.
D.
Nagasawa
,
T.
Azuma
,
H.
Noguchi
,
K.
Uosaki
, and
M.
Takai
,
J. Phys. Chem. C
119
,
17193
(
2015
).
23.
V.
Hlady
,
J.
Buijs
, and
H. P.
Jennissen
,
Methods Enzymol.
309
,
402
(
1999
).
24.
L.
Giussani
,
G.
Tabacchi
,
E.
Gianotti
,
S.
Coluccia
, and
E.
Fois
,
Philos. Trans. R. Soc., A
370
,
1463
(
2012
).
25.
A. A.
Hassanali
and
S. J.
Singer
,
J. Phys. Chem. B
111
,
11181
(
2007
).
26.
P. M.
Dove
,
N.
Han
,
A. F.
Wallace
, and
J. J.
De Yoreo
,
Am. J. Sci.
294
,
665
(
1994
).
27.
M.
Sovago
,
R. K.
Campen
,
H. J.
Bakker
, and
M.
Bonn
,
Chem. Phys. Lett.
470
,
7
(
2009
).
28.
E. L.
DeWalt-Kerian
,
S.
Kim
,
M. S.
Azam
,
H.
Zeng
,
Q.
Liu
, and
J. M.
Gibbs
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
2855
(
2017
).
29.
A. M.
Darlington
,
T. A.
Jarisz
,
E. L.
DeWalt-Kerian
,
S.
Roy
,
S.
Kim
,
M. S.
Azam
,
D. K.
Hore
, and
J. M.
Gibbs
,
J. Phys. Chem. C
121
,
20229
(
2017
).
30.
S.
Dewan
,
M. S.
Yeganeh
, and
E.
Borguet
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
1977
(
2013
).
31.
S.
Dewan
,
V.
Carnevale
,
A.
Bankura
,
A.
Eftekhari-Bafrooei
,
G.
Fiorin
,
M. L.
Klein
, and
E.
Bourget
,
Langmuir
30
,
8056
(
2014
).
32.
M.
Dishon
,
O.
Zohar
, and
U.
Sivan
,
Langmuir
27
,
12977
(
2011
).
33.
K. A.
Lovering
,
A. K.
Bertram
, and
K. C.
Chou
,
J. Phys. Chem. C
120
,
18099
(
2016
).
34.
B. M.
Lowe
,
Y.
Maekawa
,
Y.
Shibuta
,
T.
Sakata
,
C. K.
Skylarist
, and
N. G.
Green
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
2687
(
2017
).
35.
J.
Schaefer
,
G.
Gonella
,
M.
Bonn
, and
E. H. G.
Backus
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
16875
(
2017
).
36.
Z.
Yang
,
Q.
Li
, and
K. C.
Chou
,
J. Phys. Chem. C
113
,
8201
(
2009
).
37.
R. L.
York
,
O.
Mermut
,
D. C.
Phillips
,
K. R.
McCrea
,
R. S.
Ward
, and
G. A.
Somorjai
,
J. Phys. Chem. C
111
,
8866
(
2007
).
38.
M.
Fletcher
and
J.
Gen
,
Microbiology
94
,
400
(
1976
).
39.
D.
Ørstavik
,
Acta Pathol. Microbiol. Scand., Sect. B: Microbiol.
85B
,
38
(
1977
).
40.
M.
Rosenberg
and
S.
Kjelleberg
,
Adv. Microb. Ecol.
9
,
353
(
1986
).
41.
A.
Terlizzi
,
S.
Fraschetti
,
P.
Gianguzza
,
M.
Faimali
, and
F.
Boero
,
Aquat. Conserv.: Mar. Freshwater Ecosyst.
11
,
311
(
2001
).
42.
M.
Simões
,
M. O.
Pereira
, and
M. J.
Vieira
,
Water Sci. Technol.
47
,
217
(
2003
).
43.
L. E.
Chávez de Paz
,
G.
Bergenholtz
, and
G.
Svensäter
,
J. Endod.
36
,
70
(
2010
).
44.
T. A.
Norton
,
R. C.
Thompson
,
J.
Pope
,
C. J.
Veltkamp
,
B.
Banks
,
C. V.
Howard
, and
S. J.
Hawkins
,
Aquat. Microb. Ecol.
16
,
199
(
1998
).
45.
J. W.
Costerton
,
The Biofilm Primer
(
Springer
,
Heidelberg
,
2007
).
46.
T.
Romeo
,
Bacterial Biofilms
(
Springer
,
Heidelberg
,
2008
).
47.
H.-C.
Flemming
,
Springer Ser. Biofilms
5
,
81
(
2011
).
48.
M.
Tanaka
,
T.
Hayashi
, and
S.
Morita
,
Polym. J.
45
,
701
(
2013
).
49.
K. C.
Jena
and
D. K.
Hore
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
14383
(
2010
).
50.
Y. R.
Shen
,
Pure Appl. Chem.
73
,
1589
(
2001
).
51.
K. B.
Eisenthal
,
Chem. Rev.
96
,
1343
(
1996
).
52.
F. M.
Geiger
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
60
,
61
(
2009
).
53.
M. J.
Shultz
,
C.
Schnitzer
,
D.
Simonelli
, and
S.
Baldelli
,
Int. Rev. Phys. Chem.
19
,
123
(
2000
).
54.
K. C.
Jena
and
D. K.
Hore
,
J. Phys. Chem. C
113
,
15364
(
2009
).
55.
M. C.
Dixon
,
J. Biomol. Technol.
19
,
151
(
2008
).
56.
M. V.
Voinova
,
M.
Rodahl
,
M.
Jonson
, and
B.
Kasemo
,
Phys. Scr.
59
,
391
(
1999
).
57.
T. A.
Jarisz
,
K. C.
Jena
,
M. C.
Dixon
, and
D. K.
Hore
,
J. Phys. Chem. C
121
,
16879
(
2017
).
58.
E.
Jones
,
T.
Oliphant
,
P.
Peterson
 et al, SciPy: Open source scientific tools for Python,
2001
.
59.
J. D.
Hunter
,
Comput. Sci. Eng.
9
,
90
(
2007
).
60.
G.
Gonella
,
C.
Lütgebaucks
,
A. G. F.
de Beer
, and
S.
Roke
,
J. Phys. Chem. C
120
,
9165
(
2016
).
61.
P. E.
Ohno
,
H.
fei Wang
, and
F. M.
Geiger
,
Nat. Commun.
8
,
1032
(
2017
).
62.
J. F. D.
Liljelad
and
E.
Tyrode
,
J. Phys. Chem. C
116
,
22893
(
2012
).
63.
G.
Sposito
,
The Chemistry of Soils
, 2nd ed. (
Oxford University Press
,
London
,
2008
).
64.
G. M.
Marion
and
K. L.
Babcock
,
Soil Sci.
122
,
181
(
1976
).
65.
Q.
Du
,
E.
Freysz
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
238
(
1994
).
66.
K. C.
Jena
,
P. A.
Covert
, and
D. K.
Hore
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
1056
(
2011
).
67.
P. A.
Covert
,
K. C.
Jena
, and
D. K.
Hore
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
143
(
2014
).
68.
D. J.
Segelstein
, “
The complex refractive index of water
,” M.Sc. thesis,
University of Missouri
,
Kansas City
,
1981
.
69.
M. R.
Querry
,
R. C.
Waring
,
W. E.
Holland
,
G. M.
Hale
, and
W.
Nijm
,
J. Opt. Soc. Am.
62
,
849
(
1972
).
70.
M. R.
Querry
,
W. E.
Holland
, and
R. C.
Waring
,
J. Opt. Soc. Am.
66
,
830
(
1976
).
71.
T.
Tumolo
,
L.
Angnes
, and
M. S.
Baptista
,
Anal. Biochem.
333
,
273
(
2004
).
72.
A. A.
Fisk
,
Proc. Nat. Acad. Sci. U. S. A.
36
,
518
(
1950
).
73.
G.
Sezonov
,
D.
Joseleau-Petit
, and
R.
D’Ari
,
J. Bacteriol.
189
,
8746
(
2007
).
74.
S.
Baron
,
Medical Microbiology
(
University of Texas Medical Branch
,
Galveston
,
1996
).
75.
W. M.
Dunne
, Jr.
,
Clin. Microbiol. Rev.
15
,
155
(
2002
).
76.
J. W.
Costerton
,
Z.
Lewandowski
,
D. E.
Caldwell
,
D. R.
Korber
, and
H. M.
Lappin-Scott
,
Annu. Rev. Microbiol.
49
,
711
(
1995
).
77.
D. H.
Limoli
,
C. J.
Jones
, and
D. J.
Wozniak
,
Microbiol. Spectrom.
3
,
1
(
2015
).
78.
R. M.
Donlan
,
Emerging Infect. Dis.
8
,
881
(
2002
).
79.
A.
Polissi
and
P.
Sperandeo
,
Mar. Drugs
12
,
1023
(
2014
).
80.
L. A.
Clifton
,
M. W. A.
Skoda
,
A. P.
Le Brun
,
F.
Ciesielski
,
I.
Kuzmenko
,
S. A.
Holt
, and
J. H.
Lakey
,
Langmuir
31
,
404
(
2015
).
81.
C.
Howell
,
M.-O.
Diesner
,
M.
Grunze
, and
P.
Koelsch
,
Langmuir
24
,
13819
(
2008
).
82.
M.-O.
Diesner
,
C.
Howell
,
V.
Kurz
,
D.
Verreault
, and
P.
Koelsch
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
2339
(
2010
).
83.
E.
Bulard
,
M.-P.
Fontaine-Aupart
,
H.
Dubost
,
W.
Zheng
,
M.-N.
Bellon-Fontaine
,
J.-M.
Herry
, and
B.
Bourguignon
,
Langmuir
28
,
17001
(
2012
).
84.
J. R.
Lawrence
,
G. M.
Wolfaardt
, and
D. R.
Korber
,
Appl. Environ. Microbiol.
60
,
1166
(
1994
).
85.
P.
Gilbert
,
D. J.
Evans
,
E.
Evans
,
I. G.
Duguid
, and
M. R. W.
Brown
,
J. Appl. Bacteriol.
71
,
72
(
1991
).
86.
R.
Kolter
,
D. A.
Siegele
, and
A.
Tormo
,
Annu. Rev. Microbiol.
47
,
855
(
1993
).
87.
K.
Meister
,
S. J.
Roeters
,
A.
Paananen
,
S.
Woutersen
,
J.
Versluis
,
G. R.
Szilvay
, and
H. J.
Bakker
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
1772
(
2017
).
You do not currently have access to this content.