研究簡介:硫酸鹽還原原核生物（SRP）被認(rèn)為是工業(yè)中微生物影響腐蝕（MIC）的關(guān)鍵因素。然而，在反映生態(tài)相關(guān)條件的混合菌種生物膜中，對其行為的表征仍然有限。傳統(tǒng)研究多集中于單一菌種，雖然結(jié)果清晰、簡單且可重復(fù)，但缺乏生態(tài)相關(guān)性，未考慮已建立微生物組中的微生物相互作用。實(shí)驗(yàn)使用了兩個(gè)厭氧CDC生物膜反應(yīng)器，一個(gè)為無菌對照組，另一個(gè)為接種了微生物的實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)中使用了從英國Langstone Harbour采集的沿海沉積物微生物群落，這些微生物在低氧條件下生長。通過連續(xù)流動(dòng)的厭氧條件，研究了生物膜對碳鋼腐蝕的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在生物膜條件下，碳鋼表面的腐蝕坑密度顯著增加，尤其是對于經(jīng)過拋光的碳鋼樣品，其腐蝕坑密度達(dá)到每平方毫米47個(gè)坑，遠(yuǎn)高于無菌對照組的3個(gè)坑。此外，生物膜條件下還觀察到更深和更大的腐蝕坑。通過微生物群落分析，研究發(fā)現(xiàn)生物膜中硫酸鹽還原菌，特別是電活性和腐蝕性的Desulfovibrio屬細(xì)菌顯著增加。這些微生物在生物膜中通過胞外電子傳遞（EET）過程直接從金屬表面獲取電子，從而加速腐蝕。此外，研究還通過多種分析方法（如電化學(xué)技術(shù)、共聚焦激光掃描顯微鏡和16S rRNA基因測序）綜合評估了微生物群落動(dòng)態(tài)和腐蝕行為。本研究不僅深化了對微生物影響腐蝕機(jī)制的理解，還提供了一種靈活的工具，用于在現(xiàn)實(shí)和可定制的條件下測試腐蝕緩解策略。這種多學(xué)科的系統(tǒng)級方法是現(xiàn)有MIC協(xié)議的重要進(jìn)步，有助于開發(fā)更具針對性和可持續(xù)性的腐蝕預(yù)防和管理策略。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

使用Unisense SULF-50微型硫化氫電極與Unisense H2S UNIAMP放大器，對厭氧MB培養(yǎng)基中的溶解H?S濃度進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測。這是評估硫酸鹽還原菌（SRB）代謝活性和理解其所致腐蝕機(jī)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對生物反應(yīng)器（接種了微生物群落）和非生物對照反應(yīng)器（無菌條件）中的培養(yǎng)基進(jìn)行原位測量，測量點(diǎn)位于腐蝕中的碳鋼試樣附近，以獲取最接近金屬/溶液界面的H2S的原位測量數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

研究揭示了在混合物種SRB生物膜中，腐蝕機(jī)制從早期的化學(xué)微生物影響腐蝕（CMIC）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀瘜W(xué)微生物影響腐蝕（EMIC）。這種轉(zhuǎn)變與微生物群落的演替和環(huán)境因素（如H?S濃度和生物膜結(jié)構(gòu)）密切相關(guān)。在早期階段，由于H?S濃度高且有機(jī)底物豐富，CMIC占主導(dǎo)地位；而在后期，隨著電活性SRB（如Desulfovibrio spp.）的增加，EMIC成為主要腐蝕機(jī)制。生物膜的存在顯著增加了碳鋼表面的腐蝕坑密度（PD），尤其是在拋光的碳鋼樣品中，PD達(dá)到每平方毫米47個(gè)坑，遠(yuǎn)高于無菌對照組的3個(gè)坑。此外，生物膜條件下的腐蝕坑更深、更大，表明生物膜顯著加劇了局部腐蝕。生物膜結(jié)構(gòu)可能抑制了FeS保護(hù)層的形成，維持了暴露的活性金屬表面，從而延長了EMIC過程。拋光的碳鋼樣品（表面粗糙度較低）表現(xiàn)出更高的腐蝕坑密度和更嚴(yán)重的局部腐蝕。這表明在混合物種生物膜條件下，生物膜的附著和腐蝕行為可能并不完全遵循簡化的表面粗糙度模型，而是受到生物膜生物量分布、微生物運(yùn)動(dòng)能力和局部化學(xué)環(huán)境的綜合影響。

圖1、28天內(nèi)非生物和生物條件下的溶液中硫化物濃度的測量（SULF，μmol L）（原位測量了腐蝕性UNS G10180碳鋼附近的厭氧MB介質(zhì)）。

圖2、第28天清潔的UNS G10180表面的三維光學(xué)表面輪廓測量。AR優(yōu)惠券適用于：（a）非生物條件和（b）生物條件;和P試樣適用于：（c）非生物條件和（d）生物條件，暴露于厭氧MB培養(yǎng)基28天后。

圖 3、暴露于厭氧 MB 介質(zhì) 28 天后的非生物和生物腐蝕性能：（a） 通過重量分析和表面輪廓測量評估的腐蝕速率 （b） 凹坑率和 （c） 凹坑密度（非生物和生物 AR 試樣的 p < 0.05，非生物和生物 P 試樣的 p < 0.0001，生物 AR 和生物 P 試樣的 p < 0.0066），AR 和 P 試樣。

圖4、UNS G10180碳鋼的LPR數(shù)據(jù)：（a）厭氧MB介質(zhì)（非生物和生物條件）中的開路電位和（b）極化電阻，對于AR和P試樣（數(shù)據(jù)點(diǎn)代表平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3）。反應(yīng)器攪拌器轉(zhuǎn)速為50 rpm。

圖5、OCP厭氧MB介質(zhì)中UNS G10180碳鋼的EIS數(shù)據(jù)：（a，b）奈奎斯特，（c，d）波特相位角（θvs.f）和（e，f）波特阻抗模量（|Z|與f）超過28天。（n=3）。反應(yīng)器攪拌器轉(zhuǎn)速為50 rpm。

結(jié)論與展望

本研究為在受控但現(xiàn)實(shí)的條件下研究MIC機(jī)制提供了一個(gè)新穎且生態(tài)相關(guān)的平臺。通過整合MLOE，我們描繪了混合物種SRB主導(dǎo)生物膜中腐蝕過程從CMIC到EMIC的時(shí)間演變。該方法允許在更還原論的系統(tǒng)中經(jīng)常被掩蓋的機(jī)制分辨率，并強(qiáng)調(diào)了微生物演替、化學(xué)梯度和生物膜結(jié)構(gòu)在影響腐蝕結(jié)果方面的重要性。這種可定制的雙生物反應(yīng)器系統(tǒng)能夠真實(shí)地模擬工業(yè)條件，例如調(diào)節(jié)流速以復(fù)制停滯與高剪切環(huán)境，通過受控調(diào)節(jié)氧化還原電位，氣體噴射（例如氮?dú)狻錃饣虻蜐舛妊鯕猓┖筒煌牡孜镱愋停ɡ缛樗猁}、乙酸鹽、乙醇）來模擬不同的有機(jī)負(fù)荷場景，從而為評估MIC緩解策略提供強(qiáng)大的平臺，包括殺菌劑在動(dòng)態(tài)、生態(tài)相關(guān)條件下的性能和持久性。通過測序進(jìn)行的生物膜表征表明，生物膜中SRB顯著增加，特別是電活性和腐蝕性脫磺弧菌屬。

這種微生物在EET中起著至關(guān)重要的作用，EET是MIC的關(guān)鍵過程。本研究有助于更深入地了解混合物種生物膜中EMIC和CMIC的相對貢獻(xiàn)。確定在缺氧條件下在金屬/電解質(zhì)界面處驅(qū)動(dòng)CS腐蝕的微生物機(jī)制至關(guān)重要，因?yàn)榱蚧疭RB培養(yǎng)物中的CR可能差異很大。通過使用MLOE，可以全面了解SRB在MIC中所扮演的角色。這可以為設(shè)計(jì)更可持續(xù)的預(yù)防和緩解戰(zhàn)略提供信息。

Unisense硫化氫微電極在本研究中扮演了“化學(xué)環(huán)境監(jiān)測器”的角色。它通過提供高時(shí)間分辨率的原位硫化物濃度數(shù)據(jù)，將不可見的微生物代謝活動(dòng)轉(zhuǎn)化為可量化的關(guān)鍵化學(xué)指標(biāo)。這些數(shù)據(jù)不僅是證明微生物活性的直接證據(jù)，更是連接微生物行為（SRB的硫酸鹽還原）、環(huán)境化學(xué)（H?S濃度動(dòng)態(tài)）和腐蝕結(jié)果（點(diǎn)蝕加劇與機(jī)制演變）的核心橋梁，為論文深入闡釋混合菌種生物膜下MIC的復(fù)雜機(jī)制提供了不可或缺的科學(xué)依據(jù)。通過整合多種分析方法（如微電極電化學(xué)技術(shù)、表面形貌分析、微生物群落測序等），本研究提供了一個(gè)全面且動(dòng)態(tài)的視角來理解MIC過程。這種多學(xué)科的系統(tǒng)級方法能夠揭示在更簡化的系統(tǒng)中常被掩蓋的機(jī)制細(xì)節(jié)，并為開發(fā)更具針對性和可持續(xù)性的腐蝕預(yù)防和管理策略提供了科學(xué)依據(jù)。