极端环境中由有害微生物生物膜引起的微生物影响腐蚀

《Biotechnology Advances》：Microbiologically influenced corrosion in extreme environments caused by problematic microbial biofilms

　　

•生物膜可在极端压力、温度、盐度和pH条件下生长。
•综述了极端环境下MIC机制与具有韧性的生物膜。
•讨论了深海、高温高盐以及酸性体系中的MIC。
•电化学、生物传感和组学工具可实现生物膜/MIC的早期检测。
•缓解方法与AI辅助数据整合有助于MIC控制。

引言

生物膜是由不同微生物组成的群体，它们生活在自身产生的胞外聚合物（EPS）基质中（Patil, 2025；Sarmah等, 2026）。生物膜的形成是一个综合过程，使微生物能够在不同环境中繁衍生息。经典过程涉及多个步骤，包括初始附着、不可逆附着、微菌落形成、成熟和脱落/分散（Epelle等, 2024a；Epelle等, 2024b；Li等, 2023）。

生物膜在许多工业应用中具有益处，如食品生产、废水处理和生物修复（Coppola等, 2025；Tiwari等, 2025；Yadav等, 2026）。然而，有害生物膜由于微生物影响腐蚀（MIC）也对各种工业系统构成严重威胁（Atienza和Aloria, 2026；Zuo等, 2025）。此外，它们还会导致生物污垢，即不需要的生物体在设备（如热交换器、膜和管道）上积累（Ahmed等, 2025；Liu等, 2024；Shah等, 2026；Wang和Wang, 2026）。因此，有害生物膜已成为重要的工程问题，因为它们可能影响材料完整性并增加设备故障风险（Wei等, 2022）。这些问题也与新兴能源基础设施相关，如地下储氢，其中耗氢微生物可以消耗储存的H?并产生腐蚀性代谢产物，从而引起氢脆（Epelle等, 2022）。因此，了解生物膜行为对于各种重要工业系统的安全长期运行至关重要。

MIC是由细菌、古菌、真菌和微藻等微生物生物膜的活动引起的金属材料降解（Chugh等, 2020；El-Shamy, 2020；Xu等, 2024a）。MIC对某些微生物有利，因为它们可以直接或间接从铁等活性金属的氧化中获取能量，并将金属氧化与其呼吸代谢和能量保存偶联（Gu等, 2021；Kato, 2016）。MIC在石油天然气、海洋、发电和海水淡化行业造成严重后果，包括增加的运营和维护成本、环境破坏和安全危害（De Carvalho, 2018；Gizer等, 2023；Omran和Abdel-Salam, 2020；Wang等, 2026a）。普遍认为，MIC占所有腐蚀损伤的20%（Little等, 2020），而后者占全球GDP的3.4%（Koch等, 2016）。仅美国每年就在MIC损害及其缓解方面花费数十亿美元（Vitez等, 2026）。由于基础设施老化和极端环境中的工业活动扩大，MIC正变得越来越重要。

最常见且最严重的MIC类型是由硫酸盐还原菌（SRB）引起的，因为在多种工业环境中硫酸盐可得（Ivanovich等, 2025a；Li等, 2026）。SRB是耐氧厌氧菌（Barton和Fauque, 2009），在无氧环境或好氧菌或兼性微生物下方繁衍生息（Okabe等, 1999）。SRB以引起胞外电子转移-MIC（EET-MIC）而闻名，针对铁等活性金属（Javed等, 2024）。在EET-MIC中，由（不溶性）铁氧化在胞外释放的电子通过细胞壁运输到SRB胞质中，并在生物催化下进行胞内硫酸盐还原以产生能量。图1显示EET可以利用直接电子转移（DET）或介导电子转移（MET）（Gu等, 2019）。许多微生物可以利用溶解的H?作为电子供体（Amend和Shock, 2001）。有机碳的氧化可以产生H?，为SRB和其他微生物提供代谢能量（Barton和Fauque, 2009）。反应式（1a）中Fe氧化释放的电子可用于在金属表面还原H?生成H?，如反应式（3a）所示，随后在SRB胞质中氧化为H?。H?还原为H?的可逆反应在两个方向上都需要氢化酶。氧化还原偶联2H?/H?充当氧化还原穿梭，类似于电子介体。因此，它可以归类为MET（图1）。

SRB对Fe的MIC的总生物能量学可以通过反应式（1a）和（2a）来说明（Gu等, 2019），这支持了生物催化阴极硫酸盐还原（BCSR）理论（Gu等, 2009）。使用Nernst方程计算相对于标准氢电极（SHE）的平衡电位（Ee）值。反应式（1a）和（2a）的组合在以下条件下的电池电位为+230 mV：溶质（除H?外）1 M、气体1 bar、pH 7和25 °C，表明腐蚀反应在热力学上是自利的并释放能量。R代表通用气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数。E°′中的撇号表示生物电化学中生理pH 7。反应式（3b）中的po等于1 bar，以抵消H?分压的单位（Xu等, 2016）。

胞外：4Fe → 4Fe2? + 8e?（E° = ?447 mV vs. SHE）
Ee(V vs. SHE) = ?0.447 + RT/2F · ln[Fe2?]

胞内：SO?2? + 9H? + 8e? → HS? + 4H?O（E°′ = ?217 mV vs. SHE）
Ee(V vs. SHE) = 0.249 ? 2.591 RT/F · pH + RT/8F · ln[SO?2?]/[HS?]

质子还原：2H? + 2e? → H?（E°′ = ?414 mV vs. SHE）
Ee(V vs. SHE) = ?2.303 RT/F · pH ? RT/2F · ln(pH?/PO)

硝酸盐还原菌（NRB）也引起MIC，包括土壤NRB造成的外部管道腐蚀（Fu等, 2021b；Liu等, 2020）。硝酸盐广泛存在于农业径流中（Hussain等, 2025）。在高盐度条件下，硝酸盐促进NRB的生长，从而促进腐蚀过程（Al-Nabulsi等, 2015；Okoro等, 2026）。类似于SRB的BCSR，NRB可以通过生物催化阴极硝酸盐还原（BCNR）促进MIC（Xu等, 2013），其中硝酸盐在生物催化下还原为N?或铵盐，如反应式（4a）和（5a）所示（Xu等, 2013）。铜绿假单胞菌已知使用吩嗪作为电子介体（图2）。它可以进行好氧腐蚀（Huang等, 2018）或作为NRB（Liu等, 2021）。

2NO?? + 10e? + 12H? → N? + 6H?O（E°′ = +749 mV vs. SHE）
Ee(V vs. SHE) = 1.246 ? 2.746 RT/F · pH + RT/10F · ln[NO??]2/pN?

NO?? + 8e? + 10H? → NH?? + 3H?O（E°′ = +358 mV vs. SHE）
Ee(V vs. SHE) = 0.875 ? 2.879 RT/F · pH + RT/8F · ln[NO??]/[NH??]

根据反应式（4b）、（5b）的Nernst方程以及Fe氧化的Ee值?447 mV，在pH 7和25 °C条件下，硝酸盐还原为N?和铵盐的氧化还原反应电池电位分别为+1196 mV和+805 mV。在90 °C这样的高温下，耦合电池电位分别降至+1092 mV和+692 mV，表明与pH 7和25 °C条件相比，自发放热反应的驱动力较弱。

反应式（4b）中的N?分压通常可在实验室培养中设为1 bar。然而，在深海环境等极端条件下，静水压力可以高1000倍，N?分压也是如此（Priede, 2018），但反应式（4b）中1000 bar的N?分压仅导致Ee降低18 mV，表明N?分压对总电池电位和反应驱动力的影响微不足道。反应式（5b）中不涉及气体。然而，由于其平衡涉及气相中的NH?和液相中的铵离子，其Ee仍可受气体压力影响。

产酸菌（APB）是引起MIC的另一个主要且常见的菌群（Passman等, 2026）。它们主要通过分泌有机酸（如乙酸和甲酸）或强无机酸（如硫酸）来参与MIC，这些酸局部酸化生物膜下方的金属并促进金属溶解（Li等, 2025a；Li等, 2025b；Li等, 2025c；Li等, 2025d；Li等, 2025e）。这种MIC机制被定义为代谢物-MIC（M-MIC）（Xu等, 2016）。APB分泌的酸引起酸腐蚀，其中H?可作为电子受体（氧化剂），如反应式（3a）所示。表1显示在不同pH和H?分压下的各种Ee（2H?/H?）平衡电位值（25 °C），使用上述Nernst方程计算。结果表明，除非pH相当酸性，否则Ee（2H?/H?）通常不大。因此，较低的pH导致较大的2H?/H?平衡电位，使H?成为更强的氧化剂。另一方面，反应式（5b）中的H?还原半反应表明，较大的H?分压使H?还原不利于腐蚀，这反映在2H?/H?偶联更负的Ee值中。

在实际工业环境中，生物膜通常是多微生物的。SRB和铁氧化菌（IOB）的混合培养物被发现比单一物种更严重地加剧X65碳钢管的局部腐蚀（Lv等, 2022）。多微生物（即混合培养）生物膜内的相互作用可能促进EET，因为能够产生可溶性电子介体的微生物有可能通过增强EET-MIC来增强SRB摄取更多电子的能力（Li等, 2015）。混合社区还可以调整局部营养物可用性、氧化还原条件、pH和代谢物浓度，使不同MIC机制协同作用（Arroussi等, 2025）。种间电子转移可以进一步偶联不同微生物的代谢并促进MIC（Arroussi等, 2025）。跨界相互作用可能产生类似的协同效应。一项真菌-细菌生物膜研究表明，产酸真菌与产生H?O?的细菌之间的相互作用通过改变界面pH和H?O?微环境促进了EET-MIC和M-MIC（Wu等, 2025）。这些发现表明，混合培养生物膜的MIC严重程度不能仅基于单个物种的腐蚀性进行简单预测，因为生物膜内的相互作用可以显著影响整体MIC过程。

在温和条件下已广泛研究了MIC和生物污垢，大多数情况发生在此类条件下。然而，随着工业向一些极端环境扩展，人们已在深海储层、高温管道、酸性矿山系统和高盐环境中报告了多种微生物的存在（Chen等, 2021；Li等, 2017；Murthy等, 2023；Wang等, 2026b）。这些现象表明，在极端条件下，微生物生物膜形成仍然存在（图3）。极端微生物包括嗜热菌、耐压菌、嗜盐菌和嗜酸菌，已进化出独特的生理适应性，使它们能够在高温、高压、高盐或极端pH条件下存活（Bandara和Sirisena, 2026；Seckbach和Oren, 2005）。这些微生物在设备表面建立稳定生物膜后可加速材料降解（Khan等, 2023；Sachan等, 2023）。

极端环境中持续存在的生物膜也引起MIC。例如，嗜热SRB参与了高温油藏中碳钢管的严重MIC（Okpala等, 2025a；Okpala等, 2025b）。有报道称嗜盐古菌在高盐条件下引起MIC（An等, 2021）。酸性环境中的生物膜通过DET或产生攻击性代谢产物参与金属氧化（Jia等, 2026；Zhang等, 2016）。因此，了解不同极端条件下微生物活动与不同材料之间的相互作用对于开发预测和对抗有害生物膜和MIC的策略至关重要。

跨学科研究的最新进展显著增强了对极端环境中有害生物膜及其腐蚀潜力的了解。本综述批判性地考察了不同极端条件下微生物生物膜的形成、韧性和活动，重点关注其对生物污垢和MIC的影响。将讨论使极端微生物能够在材料表面生存和繁衍生息的生理适应性，以及极端微生物导致MIC的机制途径。本综述介绍了目前对抗这些问题的缓解方法。通过整合微生物学、材料科学和腐蚀工程的见解，本综述旨在增强对微生物生物膜如何在极端环境中持续存在并引起MIC的理解，并强调最小化其对工业系统不利影响 Strategies。

分段摘要：极端环境中的生物膜形成与韧性

在极端环境中，一些独特因素将影响生物膜形成过程并增强其韧性。适应的重要成分之一是EPS基质。EPS有助于保留营养物并保护微生物细胞免受干燥、噬菌体攻击和化学胁迫（Elbehiry和Alajaji, 2026；Gloster和Toksoy ?ner, 2025）。在极端条件下，EPS的特征和生化组成通常发生变化以增强机械稳定性和化学耐受性。

极端环境中的MIC

在深海、地热、高盐和酸性环境中发现活体微生物和生物污垢扩展了MIC的边界。生物膜的韧性使极端微生物不仅能够在金属基底上存活，而且能够繁衍生息。它们的生物膜改变局部电化学条件，并通过直接或介导电子转移或代谢活动驱动腐蚀（Edel等, 2022；Reiner等, 2020）。

本综述总结了近期关于 MIC 缓解和控制策略的研究成果。由于腐蚀性生物膜具有持久性，即使在极端条件下也能引起 MIC 和生物污垢，因此必须制定缓解计划，以减少潜在的设备故障和经济损失。缓解和控制需要综合方法，结合材料选择、涂层应用、早期检测、操作实践和化学控制。表 3 总结了生物膜处理和 MIC 控制中常用的方法。选择高耐蚀材料。
观点
尽管越来越多的认识到有害微生物生物膜是许多行业面临的主要问题，但对极端条件下 MIC 的理解仍然不足。一个关键问题是极端环境如何影响主要的 MIC 机制和腐蚀严重程度。目前提出的 MIC 机制，如 EET-MIC 和 M-MIC，大多是在温和的实验室条件下研究的。使极端环境生物得以生存的生理适应，例如……的变化。
未引用的参考文献 Ahmed et al., 2022
利益冲突声明 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本文报告的工作。
Lingjun Xu|Di Wang|Adnan Khan|Yi Sun|Dake Xu|Tingyue Gu