烃类降解菌（Shewanella与Desulfovibrio）对油气管道钢的微生物腐蚀机制研究：从现场失效案例到腐蚀机理突破

本综述通过宏基因组学、腐蚀浸泡实验及微生物培养技术，揭示了非常规天然气管道中烃类降解微生物（如Shewanella）与硫酸盐还原菌（SRB）协同加剧碳钢腐蚀的机制。研究首次证实这类菌群能以原油为碳源加速点蚀（Pitmax?=?28.96?μm），并通过好氧呼吸与铁氧化作用促进腐蚀产物膜形成。成果对油气工业中微生物腐蚀（MIC）的防控策略具有重要指导意义。

　　

Highlight

烃类降解菌在油水管道钢微生物腐蚀中的重要性：从现场失效案例到Shewanella与Desulfovibrio特异性腐蚀机制解析

Introduction

在油水环境中，微生物影响腐蚀（MIC）对非常规天然气管道产生严重危害。此类腐蚀不仅威胁管道完整性，更可能导致油气泄漏（[1]; [7]），造成环境污染与经济损耗。据估算，全球约20%的腐蚀损失可归因于MIC[3]，其中15–30%发生在油气管道行业[4]。微生物腐蚀机制主要涉及硫酸盐还原菌（SRB）、硝酸盐还原菌（NRB）和铁氧化菌（IOB）等微生物，它们通过生物膜形成、生物能量学与生物电化学过程促进材料腐蚀[5]。好氧条件下这些微生物以氧气为电子受体，厌氧条件下则可能利用硝酸盐、铁离子、硫酸盐等化合物作为电子受体[5]。MIC对传统防护方法构成挑战——生物膜形成显著降低涂层与缓蚀剂效果[6]，并降低阴极保护电位。控制生物膜形成与生长可有效抑制微生物腐蚀[2]。防控策略包括紫外线灭菌、杀菌剂与抗菌肽应用[8]、抗菌涂层以及利用微生物间竞争关系的生物防治[9]。理解混合生物膜的腐蚀机制有助于开发靶向防腐技术。

SRB在含石油烃环境中引起管道钢MIC的机制极为复杂，涉及多过程相互作用[10]。SRB通过厌氧呼吸将硫酸盐还原为硫化氢，与管道钢反应生成硫化铁，破坏保护性钝化膜，导致点蚀与应力腐蚀开裂。钢表面的SRB生物膜不仅包庇细菌，更浓缩腐蚀剂，加剧局部腐蚀[11]。此外，SRB代谢副产物（如有机酸）进一步促进腐蚀过程。生物膜内SRB呼吸链作为电子传递系统，通过阴极去极化加速腐蚀[12]。生物膜还可能形成局部腐蚀电池，使腐蚀过程局部化与加速化[13]。石油烃的存在为SRB提供额外碳源，增强其生长与代谢活性。石油烃降解产物与SRB代谢物间的相互作用进一步影响腐蚀过程[14]。厌氧环境在非常规气田广泛存在，严格厌氧的硫酸盐还原菌可作为原油中的"内生菌"影响腐蚀[15]。越来越多研究发现，具有原油降解能力的微生物（如Acinetobacter、Shewanella和Pseudomonas属）在油水锈层中丰度较高，但其腐蚀作用尚未充分探索[5]。有必要对烃类降解微生物与硫酸盐还原菌的腐蚀潜力进行对比评估，这对非常规气田碳钢腐蚀评价具有特殊意义。

Shewanella属是一类广泛分布于非常规天然气田的烃类降解菌[16]。它们能产生生物电能并修复污染环境，对环境可持续性与管理具有重要意义。Shewanella putrefaciens CN32是一种兼性厌氧菌，可在好氧与厌氧条件下降解石油烃。好氧条件下CN32优先降解饱和烃，厌氧条件下则更高效降解芳香烃[17]。Shewanella拥有独特的电子传递系统，能直接以细胞内外有机或无机污染物作为电子供体或受体，促进油污降解[18]。此外，Shewanella还能通过驱动芬顿反应[19]、合成纳米材料及构建生物电化学系统等途径助力污染物修复与资源回收[20]。从海口近岸表层沉积物中分离纯化出四株高效降解菌（包括Shewanella属），研究表明这四株菌等比例混合培养时，第9天原油降解率高达89.80%，远超单一Aspergillus菌株的48.24%降解率。Shewanella在混合培养中可能与其他菌产生协同效应，共同提升石油降解效率[21]。然而，目前缺乏对烃类降解菌Shewanella腐蚀性评估及其对碳钢长期腐蚀影响的报道。因此，更好理解Shewanella的腐蚀潜力对评估非常规天然气作业中管道材料的长期风险至关重要。

本研究从中国四川废弃非常规天然气井管道腐蚀案例出发，结合宏基因组学与微生物培养技术，探究管道锈层中致腐蚀微生物组成。鉴于硫酸盐还原菌（SRB）在厌氧管道腐蚀中的突出作用，比较了锈层中烃类降解微生物与SRB的腐蚀性。为阐明广泛存在且高腐蚀性的Shewanella在油水系统中攻击X70钢的机制，整合了五种方法：微生物培养、表面形貌成像、矿物学分析、荧光染色与全基因组测序。通过关联实际腐蚀案例与受控浸泡实验，本研究为评估油水环境中烃类降解菌Shewanella引起的微生物腐蚀损失提供了实用参考。

Conclusions

从实际非常规气田管道腐蚀失效案例出发，发现锈层内存在大量烃类降解微生物，这些微生物能影响油水环境中X70钢表面的矿化过程。在油水混合物中，好氧烃类降解微生物表现出更高活性。多个产出水样本的微生物群落组成分析揭示了Shewanella与Pseudomonas的高丰度，这些菌属通过好氧呼吸降解原油并氧化铁，加速腐蚀产物膜形成与磷酸镁沉淀。微生物对油水介质的酸化作用也导致油膜下严重点蚀。原油显著加速微生物生长，因此研究油水环境中碳钢腐蚀必须考虑烃类降解微生物的影响。