文章研究了微观尺度上的流动如何影响微生物生长和氧气消耗。在各种自然和人工环境中，如水生系统的生物膜、废水处理厂的絮凝体和沉积物中的颗粒等，微生物通常存在于富含营养的微环境中。这些微环境中的孔隙和通道允许局部流动，这改变了通过扩散和对流的质量传输的相对重要性。
研究通过微流体实验系统和人口基础以及计算流体动力学模拟来量化孔隙流动如何增加营养供应并提升细菌群落的承载能力。结果发现，即使是微小的流动也能显著增加微环境的承载能力，提升最多可达10%。此外，研究还探讨了流动如何通过提高营养供应和改变废物排放来推动不同微生物生态位的出现，以及这对微环境总体功能的影响。
通过对微环境中孔隙结构的研究，该研究强调了了解和预测微生物热点如何通过它们的异质形态和潜在的孔隙流动来改变微生物功能的重要性，这对于全球生物地球化学循环具有深远的影响。这些发现对于改进如废水处理和生物修复等工程应用中的微生物管理策略具有重要意义。
主要结果：
对流与扩散的比较： 研究结果显示，在微生物生态系统中，即使是微小的对流也可以显著改变营养物质的供应方式，从而提高微环境的承载能力。实验通过在微流体设备中模拟自然环境中的微生物生态系统，观察细菌群落在受控流动条件下的生长。结果表明，微观结构（如孔隙的存在）可以通过增加对流来强化营养物的供应，相较于仅有扩散的环境，对流可以使营养物供应增加至少10%。
氧气分布和消耗： 在允许流动的孔隙中，即使是10 µm/s的流速也能显著增加氧气的渗透和消耗。这种增加的氧气供应不仅影响微生物的生长速率，还可能改变微生物群落的代谢路径，例如通过打破局部的无氧环境或以不同的速率供应营养物。
微环境的空间异质性： 研究还发现，孔隙中的流动形成了显著的空间营养梯度，这些梯度决定了微生物在微环境中的空间分布。具体来说，研究通过实验和模拟显示，在流动通过孔隙的情况下，营养物可以更深入地渗透到微环境中，支持更广泛区域的生物活动。
生物量增长与流动角度的关系： 实验数据显示，流动角度对生物量的增加有显著影响。当流动与孔隙轴线一致时（0°角），生物量增加最多。当流动与孔隙垂直时（90°角），生物量增加的影响最小，与无孔隙的固体盘片相似。
数学模型与实验验证： 通过结合流体动力学模拟和微流体实验，研究验证了微观结构如何影响营养物的传递和微生物的生长。Péclet数（Pe）被用来描述对流和扩散的相对重要性，研究发现Pe值是决定流动对生物影响的关键参数。
总体来看，这些发现强调了在自然和工程系统中，微观流动的理解对于预测和操纵微生物功能至关重要。这些结果为微生物生态系统的管理提供了新的视角，特别是在需要控制微生物生长和营养循环的应用中，如废水处理和生物修复。
