Modeling microbial processes in porous media

Abstract

 The incorporation of microbial processes into reactive transport models has generally proceeded along two separate lines of investigation: (1) transport of bacteria as inert colloids in porous media, and (2) the biodegradation of dissolved contaminants by a stationary phase of bacteria. Research over the last decade has indicated that these processes are closely linked. This linkage may occur when a change in metabolic activity alters the attachment/detachment rates of bacteria to surfaces, either promoting or retarding bacterial transport in a groundwater-contaminant plume. Changes in metabolic activity, in turn, are controlled by the time of exposure of the microbes to electron acceptors/donor and other components affecting activity. Similarly, metabolic activity can affect the reversibility of attachment, depending on the residence time of active microbes. Thus, improvements in quantitative analysis of active subsurface biota necessitate direct linkages between substrate availability, metabolic activity, growth, and attachment/detachment rates. This linkage requires both a detailed understanding of the biological processes and robust quantitative representations of these processes that can be tested experimentally. This paper presents an overview of current approaches used to represent physicochemical and biological processes in porous media, along with new conceptual approaches that link metabolic activity with partitioning of the microorganism between the aqueous and solid phases.

Résumé

L'introduction des processus microbiologiques dans des modèles de transport réactif a généralement suivi deux voies différentes de recherches: (1) le transport de bactéries sous forme de colloïdes inertes en milieu poreux, et (2) la biodégradation de polluants dissous par une phase stationnaire de bactéries. Les recherches conduites au cours des dix dernières années indiquent que ces processus sont intimement liés. Cette liaison peut intervenir lorsqu'un changement dans l'activité métabolique modifie les taux de fixation/libération de bactéries des surfaces, soit en facilitant, soit en retardant le transport bactérien dans le panache de polluant de l'eau souterraine. Des changements de l'activité métabolique peuvent en retour être contrôlés par le temps d'exposition des microbes à des donneurs ou à des accepteurs d'électrons et à d'autres composés affectant cette activité. De façon similaire, l'activité métabolique peut affecter la réversibilité de la fixation, en fonction du temps de séjour des microbes actifs. Ainsi, les améliorations de l'analyse quantitative des organismes souterrains nécessitent d'établir des liens directs entre les possibilités du substrat, l'activité métabolique, la croissance et les taux de fixation/libération. Cette liaison nécessite à la fois une compréhension détaillée des processus biologiques et des représentations quantitatives robustes de ces processus qui puissent être testées expérimentalement. Cet article présente une revue des approches courantes utilisées pour représenter les processus physio-chimiques et biologiques en milieu poreux, en même temps que de nouvelles approches conceptuelles qui associent l'activité métabolique à la répartition des micro-organismes entre les phases aqueuse et solide.

Resumen

La incorporación de los procesos microbianos en los modelos de transporte reactivos ha procedido tradicionalmente a lo largo de dos líneas de investigación independientes: (1) el transporte de bacterias como coloides inertes en el medio poroso, y (2) la biodegradación de los contaminantes disueltos por una fase estacionaria de bacterias. En los últimos años se ha comprobado que estos dos procesos están muy interrelacionados. En concreto, un cambio en la actividad metabólica puede alterar la relación de adsorción/desorción de las bacterias, favoreciendo o retardando el transporte bacteriano en un penacho de contaminación. A su vez, los cambios en la actividad metabólica están controlados, entre otros factores, por el tiempo de exposición de los microbios a los receptores/donantes de electrones. Además, la actividad metabólica puede afectar la reversibilidad de la adsorción, en función del tiempo de residencia de los microbios activos. Así, el análisis cuantitativo de la actividad subsuperficial biótica necesita de un estudio detallado de las conexiones entre disponibilidad del substrato, actividad metabólica, crecimiento y relación de adsorción/desorción, lo que requiere tanto un conocimiento de los procesos biológicos, como una representación cuantitativa robusta de dichos procesos, comprobable experimentalmente. Este artículo presenta una revisión de los métodos actuales para representar los procesos fisioquímicos y biológicos en el medio poroso, además de nuevas metodologías para relacionar la actividad metabólica con el fraccionamiento de los microorganismos entre las fases sólida y acuosa.