硫酸盐还原菌胞外聚合物介导的铜局部腐蚀加速机制及其动态演变研究

本研究针对硫酸盐还原菌(SRB)胞外聚合物(EPS)在铜管道微生物腐蚀(MIC)中的动态作用机制不明的问题，通过电化学与表面表征技术，首次揭示EPS在铜腐蚀过程中呈现“抑制-促进-局部加剧”的三阶段双刃剑效应，阐明了EPS破坏氧化铜膜(Cu2O)引发微电偶腐蚀的关键阈值，为海洋工程中铜材长效防腐技术开发提供理论支撑。

　　

铜作为现代工业的“血管”，其优异的导电导热性和耐腐蚀性使其成为空调系统、给水管网等关键基础设施的核心材料。然而在30-60°C的温暖环境中，这些铜管道却成为硫酸盐还原菌(SRB)等微生物的乐园。更棘手的是，即使这些微生物死亡，它们分泌的胞外聚合物(EPS)仍会像幽灵般附着在管壁上持续作祟——有时像防护盾般延缓腐蚀，有时却化身腐蚀加速器，这种“人格分裂”行为让工程师们防不胜防。尤其当铜管表面出现星星点点的腐蚀坑时，往往意味着整段管道即将报废，但科学界对EPS这种“双面间谍”的作案手法却始终雾里看花。

为了破解这一谜团，中国的研究团队在《Bioelectrochemistry》发表了一项开创性研究。他们采用超声辅助离心法提取SRB-EPS，结合动电位极化、电化学阻抗谱(EIS)和微区电偶电流测试等技术，首次绘制出EPS与铜表面相互作用的动态“犯罪轨迹”。研究还创新性地使用0.001 cm²的铜丝电极捕捉微电偶腐蚀的蛛丝马迹，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)解码EPS中羧基(?COO^?)、酰胺基等“腐蚀工具包”的化学指纹。

材料与方法
研究选用纯度>99.9%的铜电极，在3.5 wt% NaCl溶液中模拟海洋环境，通过三电极体系测定不同EPS浓度下的击穿电位(E_b)和极化电阻(R_p)。采用X射线光电子能谱(XPS)分析腐蚀产物膜组成，微区电化学工作站测量局部电流密度，结合扫描电子显微镜(SEM)观察表面形貌演变。

EPS的化学组分分析
FT-IR谱图显示EPS携带大量“危险分子”：3431 cm^?1处的羟基(?OH)和氨基(?NH)像触手般吸附金属，1637 cm^?1的蛋白酰胺基与1418 cm^?1的羧基(?COO^?)则构成腐蚀反应的“帮凶集团”。这些官能团在铜表面上演的“化学谍战”，直接决定了腐蚀进程的走向。

EPS与铜表面的相互作用
研究首次发现EPS存在明显的“腐蚀人格分裂”：

1. 保护期(1-3天)：EPS像防弹衣般紧密吸附，使R_p值提升50%以上，E_b正移约120 mV，此时阴极反应速率被显著抑制。
2. 倒戈期(4-8天)：EPS中的?COO^?开始瓦解Cu₂O保护膜，E_b出现负移现象，微电偶电流骤增至3.2 μA/cm²，相当于裸铜的7倍。
3. 爆发期(9-14天)：SEM图像显示EPS覆盖呈现“豹纹式”不均匀分布，未覆盖区域形成阳极溶解中心，局部腐蚀深度达均匀腐蚀区的12倍。

结论与意义
该研究破解了SRB-EPS“先护后蚀”的行为密码：初始吸附阶段形成物理屏障，中期通过配位作用破坏Cu₂O膜引发微电偶效应，后期因覆盖不均导致局部腐蚀爆发。特别重要的是发现E_b负移50 mV是腐蚀逆转的临界信号，这一“腐蚀预警阈值”为开发智能防腐涂层提供了精准调控靶点。研究不仅填补了EPS动态腐蚀机制的认知空白，更启示未来防腐设计需针对EPS不同作用阶段“分而治之”——在吸附期强化保护层稳定性，在倒戈期阻断官能团配位作用，这对保障海洋工程铜设施安全服役具有重大实践价值。