硫酸盐还原菌混合物种生物膜对微生物腐蚀的影响机制及生态相关性研究

《Environmental Microbiology》：Effects of Sulphate-Reducing Bacteria Mixed-Species Biofilms on Microbiologically Influenced Corrosion

这篇研究通过创新的双生物膜反应器系统，揭示了硫酸盐还原菌(SRB)在混合物种生物膜中驱动微生物腐蚀(MIC)的动态机制。研究证实生物膜生长显著增加碳钢的腐蚀坑密度(15-47 pits/mm2)，并鉴定出关键电活性菌种脱硫弧菌(Desulfovibrio)在胞外电子转移(EET)中的核心作用，为工业腐蚀防控提供了新见解。

　　

硫酸盐还原菌混合物种生物膜对微生物腐蚀的影响

1 引言

硫酸盐还原原核生物(SRP)特别是硫酸盐还原菌(SRB)是微生物腐蚀(MIC)研究中最受关注的微生物。这些厌氧菌通过将SO₄^2-还原为硫化物(HS^-, S^2-)参与腐蚀过程，同时利用乳酸等有机物作为电子供体。研究重点在于解析SRB在反映生态相关条件的混合物种生物膜中的行为特征，特别是电化学微生物腐蚀(EMIC)和化学微生物腐蚀(CMIC)两种机制的相对贡献。

2 材料与方法

采用新型双厌氧生物膜反应器系统，以海洋沉积物来源的混合微生物群落为研究对象。实验使用UNS G10180碳钢(CS)试片，设置无菌对照组和生物处理组，持续监测28天。通过表面形貌分析、电化学测试(线性极化电阻LPR、电化学阻抗谱EIS)、微生物群落分析(16S rRNA测序)和ATP检测等多重证据(MLOE)方法进行全面评估。

3 结果

3.1 视觉观察

生物处理组试片表面形成黑色膜层和颗粒沉积，而对照组保持金属光泽。生物膜成熟后培养基呈现黑绿色高浊度状态。

3.2 硫化物分析

生物反应器中硫化物浓度最高达523.4 μmol/L，显著高于对照组(5.1 μmol/L)，后期逐渐降低至相似水平。

3.3 碳钢表面分析

生物膜导致更严重的局部腐蚀，抛光(P)试片腐蚀坑密度(47 pits/mm²)显著高于原样(AR)试片(15 pits/mm²)。腐蚀速率(CR)显示生物处理组为中度腐蚀(0.025-0.12 mm/年)，但点蚀速率(PR)均属严重级别(>0.38 mm/年)。

3.4 电化学测量

生物膜形成导致开路电位(E_corr)负移，极化电阻(R_p)逐渐升高至40,000 Ω·cm²。等效电路模型(ECM)显示生物膜表现出非理想电容行为。

3.5 生物膜表征

16S测序显示脱硫弧菌(Desulfovibrio)在成熟生物膜中占比达55%，显著高于初始沉积物样本。活/死细胞染色显示生物膜中活细胞比例约91%。

4 讨论

研究揭示了从CMIC到EMIC的动态转变过程：初期高硫化物环境下CMIC占主导，后期随着电活性脱硫弧菌富集，EMIC成为主要机制。生物膜结构阻碍FeS钝化膜形成，维持活性腐蚀位点。抛光表面更高的点蚀密度挑战了传统表面粗糙度与微生物附着关系的认知。

5 结论

该研究建立了研究混合物种SRB生物膜腐蚀的创新平台，证实：

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  生物膜显著增加腐蚀坑密度和尺寸

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  电活性脱硫弧菌通过EET过程驱动EMIC

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  表面处理影响局部腐蚀敏感性

  研究为开发针对性腐蚀防护策略提供了理论基础，双生物膜反应器系统可作为评估缓蚀方案的通用工具。