阳极与阴极面积比控制钢表面腐蚀行为与微生物群落结构

《JCIS Open》：Anode-to-Cathode Area Ratio Governs Corrosion Behavior and Microbial Community Structure on Steel Surfaces

　　

为了解决海洋环境中Q355钢微生物腐蚀（MIC）的挑战以及牺牲阳极阴极保护（CP）保护效率调控的瓶颈，研究人员在天然海水中使用Al-Zn-In-Cd牺牲阳极构建了CP系统。研究人员研究了不同阴极与阳极暴露面积比（1:1、40:1、80:1）影响Q355钢腐蚀行为、腐蚀产物层演变和微生物群落演替的机制，特别关注揭示早期生物矿化和群落演替机制。未受保护的Q355钢腐蚀速率为246.43 μm/y，表面形成以β-FeOOH和绿锈为主的松散锈层。未受保护钢的微生物群落表现出高多样性，鉴定出111个独特的操作分类单元（OTU），并富集了铁氧化细菌如Mariprofundus。施加CP后，腐蚀速率显著降低。在阴极与阳极面积比为1:1的CP处理Q355系统中，腐蚀速率降至1.93 μm/y，保护效率高达99.21%。微生物群落结构与未受保护Q355系统及其他CP系统明显不同，Thiomicrohabdus占90.53%。随着面积比增加到40:1和80:1，保护效率依次降至62.98%和43.00%。值得注意的是，面积比为80:1的CP Q355-80系统最大点蚀深度为36.51 μm。

在海洋资源开发中，Q355低合金高强度钢广泛应用于海上平台和海底管道，但微生物腐蚀（MIC）严重威胁其结构完整性，且牺牲阳极阴极保护（CP）在实际工程中常面临阳极面积远小于被保护结构的问题，导致保护效率调控存在瓶颈。现有研究对天然海水中不同阴极与阳极面积比下CP对微生物群落结构和腐蚀行为的影响机制认识不足，尤其是早期生物矿化和群落演替的耦合作用。为此，研究人员在天然海水中构建了Q355碳钢/Al-Zn-In-Cd牺牲阳极测试系统，设置三种阴极与阳极暴露面积比（1:1、40:1、80:1），结合高通量测序和表面微观表征，揭示了CP对腐蚀行为、产物层演变及微生物群落结构的影响机制。论文发表在《JCIS Open》。

研究人员采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）结合能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）表征腐蚀产物形貌与物相，通过失重法计算腐蚀速率，并利用高通量测序（Illumina/MGI平台PE250策略）分析微生物群落α多样性与β多样性。所有实验均在天然海水环境中进行，样本来源为青岛海域（基于作者单位推测，原文未明确），设置了Q355空白系统、CP Q355（1:1）、CP Q355-40（40:1）和CP Q355-80（80:1）四个系统，每个系统采用三组平行样本。

**3.1 腐蚀形貌与腐蚀产物分析**：通过SEM和XRD观察，未保护Q355系统表面形成厚而松散的橙色锈层，产物以β-FeOOH、γ-FeOOH和Fe₃O₄为主，出现典型“泥裂”形貌；CP Q355-80系统有点蚀坑，产物含β-FeOOH；CP Q355-40系统仅有浅层网状薄膜；CP Q355系统表面平坦，形成致密方解石（CaCO₃）和Fe₃O₄层，无β-FeOOH。CLSM显示未保护系统最大点蚀深度51.57 μm，CP Q355-80为36.51 μm，CP Q355-40为31.13 μm，CP Q355仅为7.16 μm。

**3.2 腐蚀速率分析**：失重法显示未保护系统腐蚀速率为246.43 μm/y，CP Q355系统降至1.93 μm/y（保护效率99.21%），CP Q355-40为91.22 μm/y（62.98%），CP Q355-80为140.46 μm/y（43.00%），证实面积比越小保护效果越好。

**3.3 锈层微生物丰度分析**：OTU维恩图显示未保护系统有111个独有OTU，CP Q355系统仅23个，CP Q355-40有259个，CP Q355-80有136个，表明CP显著抑制微生物定殖，但面积比增大后多样性恢复。

**3.4 α多样性分析**：ACE和Chao1指数显示未保护系统物种丰富度较高，CP Q355系统显著降低，CP Q355-40/80系统反弹甚至超过未保护系统；Shannon和Simpson指数表明CP Q355系统群落多样性最低，面积比增大后多样性恢复。

**3.5 门水平微生物群落组成**：高通量测序表明所有系统中变形菌门（Proteobacteria）占主导（59.38%~93.44%），未保护系统富集Campilobacterota（26.79%），CP系统该门显著减少；CP Q355-80系统变形菌门比例最高。

**3.6 属水平微生物群落组成**：未保护系统富集Thiomicrohabdus（12.71%）、Mariprofundus（6.13%）和Arcobacteraceae（17.57%）；CP Q355系统Thiomicrohabdus占90.52%；CP Q355-40系统以γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）和Thiomicrospira为主；CP Q355-80系统γ-变形菌纲占绝对优势。

**3.7 差异分析**：LEfSe分析显示未保护系统显著富集铁氧化菌（Mariprofundus）和铁还原菌（Campilobacterota）；CP Q355系统显著富集硫氧化菌（Thiomicrohabdus）；CP Q355-40/80系统富集γ-变形菌纲及其下属分类，这些细菌分泌胞外聚合物（EPS）可溶解钙质沉积层。

讨论部分总结了电化学极化诱导生物矿化机制，即高电流密度下界面高pH促进形成稳定方解石层，低电流密度下形成亚稳态文石，而微生物群落通过胞外电子传递（EET）和EPS分泌影响沉积层稳定性。研究结论翻译如下：在天然海水中，未保护Q355钢遭受严重MIC，腐蚀速率246.43 μm/y，点蚀数量74.33±2.08，表面粗糙度显著增加。施加Al-Zn-In-Cd牺牲阳极CP后，CP Q355系统（1:1）腐蚀速率降至1.93 μm/y，保护效率99.21%，仅7±1个点蚀坑，最大深度7.16 μm。当面积比增至80:1，保护效率降至43.00%，最大点蚀深度达36.51 μm。CP系统腐蚀产物以绿锈、Fe₃O₄、α-FeOOH和CaCO₃为主，钙沉积物晶型与电流密度相关：高电流密度下形成方解石和Fe₃O₄致密层，抑制γ-FeOOH向β-FeOOH转化；低电流密度下生成文石，CP Q355-80系统检测到β-FeOOH，表明Cl^-渗透导致局部腐蚀。高通量测序结果证实CP选择性富集功能性微生物群落（如Thiomicrohabdus占90.52%，γ-变形菌纲在80:1系统中占优），而非单纯抑制微生物生长。该研究为海洋部署初期阶段早期生物矿化和群落演替机制提供了基础理解。