土壤是各种微生物的适宜栖息地。土壤微生物构建了生物地球化学循环，如碳循环或氮循环，这些循环会合成植物养分和温室气体。阐明土壤内部的微生物活动对农业和环境领域至关重要。影响土壤中细菌活动的关键因素之一是由土壤团聚体构成的土壤物理结构。土壤团聚体的粒径分布范围很广，从微米到毫米不等，并形成了各种大小的孔隙，这些孔隙充当空气、水和养分的通道，并影响微生物活动。尽管已知土壤中的孔隙大小对细菌活动很重要，但孔隙大小分布如何影响细菌活动仍不清楚。因此，为了理解土壤中的细菌活动，需要进一步研究土壤中微米级孔隙的大小分布与细菌在微米级空间中移动之间的关系。
据麦姆斯咨询报道，日本东京理科大学和筑波大学和的研究团队近期在Scientific Reports期刊上发表了一篇题为“Investigating the effects of soil microstructures on bacterial growth via microfluidic channels and an agent-based model”的研究论文。在本研究中，研究人员利用PDMS微流控装置和数值模拟，研究了从微米到毫米尺度的分形分布孔径对细菌生长的影响。
本研究构建的模拟模型和微流控装置，以重现由团聚体形成的各种大小的孔隙，研究了孔隙大小分布对细菌生长的影响
研究人员制作了一种PDMS微流控装置，包含三种柱体排列方式：分形分布柱体排列、周期性分布柱体排列（阵列）以及无柱体排列。在培养装置中对大肠杆菌进行了20小时的培养，结果显示，分形排列中的大肠杆菌数量和混合程度均高于阵列和无柱体排列。结果还表明，在分形排列中，大肠杆菌的数量在柱体密集区域周围有所增加。
着眼于分形排列和阵列排列在柱体密集区域存在情况上的差异，研究人员进一步研究了具有不同块体大小和柱体间距的块状排列。模拟结果显示，柱体间距更短且块体更大的块状排列中，细菌像素增长更快。
研究人员还研究了每种排列中细菌的运动情况。结果表明，在柱体间距更短且块体更大的块状排列中，细菌像素的运动明显受到柱体的限制。结果还显示，分形排列中更复杂的运动是细菌像素快速增长的关键因素。
研究人员探究了孔径分布对细菌生长的影响，模拟结果表明，这种分布可能是影响细菌行为的一个重要因素。阐明物理结构与细菌活性之间的关系，将为这些研究以及生化循环的建模和预测提供重要见解。
https://doi.org/10.1038/s41598-025-23995-9
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