土壤微生物是驱动陆地生物地球化学循环的引擎。活性微生物主要以生物膜的形式存在于土壤环境中,其生物膜形成量、群落结构多样性和代谢功能差异与周围土壤的理化环境密切相关。前人研究表明土壤的空间结构是影响生物膜形成的重要因素。多孔网络结构的理化性质决定了液相流动,影响了细胞的空间分布、群体行为及进化过程。但是前人的研究大部分是基于实际土壤粒径分离和高通量测序技术研究土壤不同粒径团聚体中的微生物群落组成。而由于土壤不透光性和高度的时空理化异质性,土壤孔隙结构对生物膜形貌特征、代谢功能及群落结构等的影响鲜少有研究。为此,本研究采用微流控技术设计并制作四种孔径（20 μm、50μm、100 μm和300 μm）微流控芯片模拟土壤微环境,通过荧光示踪剂及显微成像表征土壤生物膜形成,结合扩增子测序及代谢组学来研究不同孔隙结构对生物膜群落组成的影响。本研究的主要结果如下:显微成像结果显示,土壤菌群的生长过程主要可以分为初始附着、表面定殖、发育成膜、生物膜成熟和生物膜衰亡五个阶段。随着孔径尺寸增加,土壤菌群形成生物膜至成熟的时间也逐渐增加。土壤菌群在小孔径芯片（20μm和50μm）中主要围绕着微柱生长成膜,成熟期能填满孔隙,造成生物堵塞;而在大孔径芯片（100 μm和300μm）中,土壤菌群主要分布在孔隙间,形成团聚体后逐渐连成带状、片状生物膜。胞外聚合物（EPS）组分含量随着孔径尺寸的增加而减少,蛋白在生物膜形成过程中起主导作用。大孔径芯片（100μm和300 μm）中具有呼吸活性细胞数量占比较高,分别为50%与48%。而小孔径芯片（20 μm和50 μm）中微生物对养分的利用更充分,摄取葡萄糖的细胞分别占63%与87%。16S rRNA测序结果表明,孔径大小显著影响土壤生物膜群落多样性。在生物膜成熟期,不同孔径芯片中的生物膜微生物类群存在显著差异。初始菌群中相对丰度最高的优势细菌类群是γ-变形菌纲、放线菌纲和β-变形菌纲。在生物膜成熟期,放线菌纲和β-变形菌纲的相对丰度增加,γ-变形菌纲的相对丰度降低。在20 μm芯片中,最优势细菌类群是放线菌纲,300 μm芯片中的最优势细菌类群为β-变形菌纲。其中,伯克氏菌属的相对丰度与芯片孔隙尺度成正相关。微生物种类数量随着孔径增大而增多。在大孔径芯片（100 μm和300 μm）中,微生物种类数量较多,竞争较激烈,影响了 土壤生物膜的形成。进一步通过代谢组学分析不同孔隙结构对土壤微生物代谢功能的影响,结果显示在土壤微生物生物膜成熟时期的代谢物中,脂类及类脂分子、有机酸及其衍生物所占的比例较多,占26.15%。20 μm芯片中筛选出的代谢物种类最多,50 μm芯片中筛选出的代谢物最少。小孔径芯片（20 μm）中代谢物之间相关性较复杂,存在各类代谢物共同调节,有机杂环化合物和有机氧化合物在共调节中起重要作用。另外,在20、50、100 μm芯片中主要是ABC转运蛋白的代谢受到了扰动,而在300 μm芯片中主要是硫胺素代谢存在显著差异。本研究结果揭示了不同孔隙结构对土壤生物膜形貌与群落特征的影响,为了解微生物在土壤界面上定殖过程及生物膜群落多样性与功能提供理论依据。