生长与剪切应力之间的竞争驱动多孔介质生物膜中优先流路径的间歇性

多孔介质（如土壤、含水层和过滤器）中的细菌通常会形成附着在表面的群落，称为生物膜。生物膜受到流经多孔介质的流体流动的影响（例如营养物质的供应），而它们反过来又会影响流动。这种相互作用的一个显著例子是当生物膜几乎堵塞多孔介质时可能出现的强烈的流动间歇性。间歇性表现为穿过生物膜-多孔介质结构的单个优先流路径（PFPs）的快速开启和缓慢闭合，导致持续的时空重排。间歇性引起的流动和传质的剧烈变化会影响自然和工业系统的功能与效率。然而，间歇性的机制起源仍未得到解释。在这里，我们表明驱动 PFP 间歇性的机制是微生物生长与剪切应力之间的竞争。我们将量化不同孔径和流速下合成多孔介质中 Bacillus subtilis 生物膜形成及行为的微流控实验，与考虑流经生物膜的流动和生物膜孔隙弹性的数学模型相结合，揭示了其潜在机制。我们表明，PFPs 的闭合是由受营养质量流控制的微生物生长驱动的。与之相反，我们发现 PFPs 的开启是由流动诱导的剪切应力驱动的，随着微生物生长导致 PFP 变窄，该剪切应力增加，引起生物膜压缩和破裂。我们的结果表明，微生物生长及其与剪切应力的竞争可导致生物堵塞多孔介质中流动和传输条件的强烈时间变异性。