Morphology and Size of Bacterial Colonies Control Anoxic Microenvironment Formation in Porous Media

缺氧水域 形态学(生物学) 多孔介质 化学 化学工程 生物物理学 多孔性 生物 环境化学 动物 有机化学 工程类
作者
Giulia Ceriotti,Sergey M. Borisov,Jasmine S. Berg,Pietro de Anna
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (23): 17471-17480 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c05842
摘要

Bacterial metabolisms using electron acceptors other than oxygen (e.g., methanogenesis and fermentation) largely contribute to element cycling and natural contaminant attenuation/mobilization, even in well-oxygenated porous environments, such as shallow aquifers. This paradox is commonly explained by the occurrence of small-scale anoxic microenvironments generated by the coupling of bacterial respiration and dissolved oxygen (O2) transport by pore water. Such microenvironments allow facultative anaerobic bacteria to proliferate in oxic environments. Microenvironment dynamics are still poorly understood due to the challenge of directly observing biomass and O2 distributions at the microscale within an opaque sediment matrix. To overcome these limitations, we integrated a microfluidic device with transparent O2 planar optical sensors to measure the temporal behavior of dissolved O2 concentrations and biomass distributions with time-lapse videomicroscopy. Our results reveal that bacterial colony morphology, which is highly variable in flowing porous systems, controls the formation of anoxic microenvironments. We rationalize our observations through a colony-scale Damköhler number comparing dissolved O2 diffusion and a bacterial O2 uptake rate. Our Damköhler number enables us to predict the pore space fraction occupied by anoxic microenvironments in our system for a given bacterial organization.
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