多孔介质中运动细菌的扩散

理解细菌在多孔介质中的流动与输运对生物修复、生物矿化或提高石油采收率等技术至关重要。尽管物理化学细菌过滤已有充分记载，近期研究指出细菌运动性在输运过程中起关键作用。在含随机排布障碍物的微流控芯片中进行的流动与输运实验证实，非运动颗粒的分布保持紧凑，而运动菌株的分布同时具有显著滞留与快速下游运动的特征。对于运动细菌，对个体细菌轨迹的细致微观研究揭示了两个显著特征：（i）由运动性触发的主动滞留过程的出现；（ii）由于快速流道与固体颗粒附近低流区之间的交换而增强的扩散。我们提出基于连续时间随机游走方法的物理模型。该方法通过等距颗粒速度的马尔可夫模型考虑由孔隙尺度流速变化引起的细菌扩散。细菌运动性由双速率捕获过程建模，考虑了朝向障碍物运动及在障碍物处的主动捕获。该方法捕捉到了细菌位移分布的前向拖尾，并量化了源于孔隙尺度流动与细菌运动性相互作用的增强流体动力学扩散效应。模型重现了实验观测，并预测了宏观尺度下的细菌扩散与输运。