Geophysical monitoring of bacterial activities in subsurface has drawn significant interest in various civil engineering, hydrocarbon recovery, and soil remediation practices. This study explored the feasibility of use of complex electrical responses to monitor bacterial biofilm formation in soils. A column experiment was conducted, in which the model bacteria Shewanella oneidensis MR-1 were cultured in a sand-pack and stimulated to form biofilms. During the bacterial growth and biofilm formation, the variations in complex electrical conductivity were monitored at a frequency range of 0.1 - 1000 Hz while measuring the permeability reduction. As a result of the bacterial growth and biofilm formation, it was observed that the imaginary conductivity significantly increased by more than 1000% and the real conductivity was reduced by more than 10% over 10 days of the experimental run. At the same time, the permeability was reduced by 70%. However, these variations diminished along the sand column as the distance became farther from the nutrient injection port. It appeared that the imaginary conductivity effectively captured biofilm formation in porous media, while the real conductivity was heavily affected by porosity reduction as well as pore fluid conductivity. In addition, imaginary conductivity detected different responses for bacterial growth and bioclogging in frequency domain, while real conductivity had no variation with frequency. As a result, the imaginary conductivity had power law with permeability of soil at certain frequency. The obtained results suggest that complex conductivity can be effectively used to capture the bacterial biofilm formation and the resulting permeability reduction in soils.
지반에서 미생물의 활동 관찰은 탄화수소 회수, 미생물을 이용한 환경 복원에 토목공학에서 다양하게 이용될 수 있어 그 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 지반에 미생물이 바이오필름을 생산하여 지반 공극에 축적되는 과정에서 생기는 투수 계수 변화를 복소 전기전도도를 이용하여 예측할 수 있는 실시간 모니터링시스템을 개발하였다. 바이오필름의 축적에 의한 복소 전기전도도의 변화를 관찰하기 위해 입자가 균일한 사질토를 원형토조에 수중다짐공법을 이용하여 조성하였고 모델박테리아로 선정한 Shewanella oneidensis MR-1을 접종하여 실험토조에서 바이오필름이 생성될 수 있도록 하였다. 복소 전기전도도의 변화를 0.1 - 1000Hz 대역에서 측정하였으며 동시에 압력계와 차압계를 이용하여 투수계수 변화를 모니터링하였다. 실험은 열흘동안 진행하였으며 모델박테리아가 생산하는 바이오필름의 축적에 의해 사질토의 투수계수는 70% 감소하였으며, 복소 전기전도도의 허수부는 1000% 이상 증가하였으며, 복소 전기전도도의 실수부는 10% 이상 감소하였다. 배양액이 주입되는 주입구에 근접할수록 증가하였으며 반대로 주입구에서 멀어질수록 감소하였다. 복소 전기전도도의 허수부는 흙의 표면전하에만 영향을 받으므로 주파수에 따라 미생물의 세포 성장과 바이오필름 생성 등 다른 특성을 관찰할 수 있지만 실수부는 흙의 표면전하뿐만 배양액의 화학적 성질에 크게 영향을 받아 흙의 전도특성만을 측정하여 주파수에 관계없이 일정한 값을 가진다. 컬럼 실험 결과를 통해 흙의 복소 전기전도도의 허수부와 투수 계수는 지수 함수의 관계를 가지는 것을 확인하였고 이를 통해 복소 전기전도도는 미생물의 바이오필름 생성에 의한 바이오클로깅을 관측하는데 효과적이라는 것을 확인하였다.
