공극 규모의 반응성 운송 모형을 활용한 지중환경 미생물 활동에 관한 고찰 = Review of Pore-scale Reactive Transport Modeling for Microbial Processes in Subsurface Environments

국문 초록 (Abstract)

지질매체에 서식하는 미생물들은 지중 환경의 다양한 생지구화학적 반응들을 매개한다. 영양물질의 공급, 미생물 간 협력 및 경쟁, 외부 스트레스 요인들과 같은 환경적 조건들은 미생물 활동 특성을 결정한다. 이러한 환경에 적응한 미생물들의 성장은 바이오필름의 공간적 팽창을 일으키고 이는 다시 공극 내 유체의 유동 특성과 영양물질의 소모와 같은 환경적 특성에 영향을 미친다. 따라서 지질매체의 공극 규모에서 주변 환경과 상호작용하는 미생물 활동에 대한 정량적 이해는 지중 환경의 물질순환을이해하는데 있어 핵심적인 요소이다. 본 리뷰에서는 지중 환경에서 나타나는 미생물 활동을 기술하는 수치 모형에 대한 선행 연구들을 분석한다. 먼저 공극 규모 수치 모형에서 주로 사용되는 직접수치모사, 라티스-볼츠만 모형, 공극망 모형의 세 가지 접근법을 요약하고, 미생물이 매개하는 화학반응과 바이오필름 성장에 관한 수치 모형들을 살펴본다. 마지막으로 미생물의 유전 정보를 이용한 미생물 대사모형을 반응성 운송 모형과 결합하는 시도에 대해 알아본다. 본 연구는 지중환경에서 나타나는 미생물과 환경과의 복잡한 상호작용을 정량적으로 이해하기 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Microorganisms play a central role in various biogeochemical processes in Earth’s near-surface environments. These microbial activities are not only controlled by the surrounding environmental conditions but also have a significant impact on the characteristics of their environments. Therefore, it is essential to quantitatively understand the interactions between microbial processes and their immediate surroundings at the pore scale for accurately estimating and predicting the fate of chemicals in subsurface environments. This study aims to provide a comprehensive review of previous mathematical modeling studies that focus on microbial activities at the pore-scale in subsurface environments. First, the fundamentals of three major pore scale reactive transport models are summarized: direct numerical simulation, lattice Boltzmann method, and pore network model. Then, we delve into the traditional modeling approach for microbe-mediated biochemical reactions and more rigorous mathematical models for biofilm development. Lastly, we explore recent advances in genome-scale metabolic models in the context of reactive transport modeling. By analyzing and synthesizing the previous studies, this study provides valuable insights into the intricate relationship between microbial processes and their immediate environments, contributing to a better understanding of biogeochemical dynamics in subsurface environments.