柱阵列产生的非均质流中的微生物输运与扩散

游动的微生物，如细菌和藻类，生活在包括土壤、海洋和人体在内的多样化栖息地中，这些栖息地的特征是结构边界和非均质流体流动。尽管过去几十年在理解微生物的布朗棘轮运动及其与壁面的流体动力学相互作用方面取得了很大进展，但结构环境、流体环境与微生物自驱动运动之间复杂的相互作用仍然难以捉摸。在此，我们开发了一个朗之万模型来模拟和研究微生物在周期性柱阵列中的输运与扩散。通过追踪微生物轨迹的时空演化，我们发现无滑移的柱表面会诱导局部流体剪切，从而改变微生物的运动方向。在柱附近，环状轨迹和缓慢的运动速度导致微生物的瞬时积累和缓慢输运。我们观察到了包括摆动、之字形和黏附运动在内的多种微观运动模式。在非对称排列的柱阵列中，相邻的下游柱提供了几何引导，使得微生物种群在垂直于流动方向上发生确定性偏移。此外，我们还定量分析了柱阵列的拓扑结构、流体流动特性和微生物特性对微生物在柱阵列中对流和扩散的影响。这些结果凸显了结构和流动对微生物输运与分布的重要性，在微生物过程研究中应予以仔细考虑。