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Internal Biofilm Heterogeneities Enhance Solute Mixing and Chemical Reactions in Porous Media

生物膜 多孔介质 磁导率 堵塞 多孔性 化学工程 材料科学 化学 流体力学 化学物理 机械 地质学 细菌 复合材料 古生物学 工程类 考古 物理 历史 生物化学
作者
Ishaan Markale,Maxence Carrel,Dorothee L. Kurz,Verónica L. Morales,Markus Holzner,Joaquín Jiménez‐Martínez
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (21): 8065-8074 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c09082
摘要

Bacterial biofilms can form in porous media that are of interest in industrial applications ranging from medical implants to biofilters as well as in environmental applications such as in situ groundwater remediation, where they can be critical locations for biogeochemical reactions. The presence of biofilms modifies porous media topology and hydrodynamics by clogging pores and consequently solutes transport and reactions kinetics. The interplay between highly heterogeneous flow fields found in porous media and microbial behavior, including biofilm growth, results in a spatially heterogeneous biofilm distribution in the porous media as well as internal heterogeneity across the thickness of the biofilm. Our study leverages highly resolved three-dimensional X-ray computed microtomography images of bacterial biofilms in a tubular reactor to numerically compute pore-scale fluid flow and solute transport by considering multiple equivalent stochastically generated internal permeability fields for the biofilm. We show that the internal heterogeneous permeability mainly impacts intermediate velocities when compared with homogeneous biofilm permeability. While the equivalent internal permeability fields of the biofilm do not impact fluid–fluid mixing, they significantly control a fast reaction. For biologically driven reactions such as nutrient or contaminant uptake by the biofilm, its internal permeability field controls the efficiency of the process. This study highlights the importance of considering the internal heterogeneity of biofilms to better predict reactivity in industrial and environmental bioclogged porous systems.

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