碳饥饿增强海洋离岸基础设施中微生物影响腐蚀

《Frontiers in Microbiology》：Carbon starvation enhances microbiologically influenced corrosion in marine offshore infrastructures

　　

引言：在海上风电基础中，微生物影响腐蚀（MIC）是泥面区的一个关键问题，该区域钢材埋置于沉积物中，其特点是氧气有限且具有明显的氧化还原梯度。在海洋沉积物中，不稳定底物的有限可利用性可影响微生物代谢策略，可能促进替代性电子传递途径。研究人员开展了一项探索性机制研究，以探讨碳可利用性如何影响与离岸基础设施相关的多物种生物膜中的微生物群落结构和腐蚀行为。
方法：以北海沉积物作为接种物，将钢片暴露于空白（不添加碳）、乳酸和酵母提取物条件下。通过失重和三维轮廓测量评估腐蚀，同时使用16S rRNA基因测序分析微生物群落。
结果与讨论：结果表明，营养条件强烈塑造了微生物和化学条件。酵母提取物产生最高的总硫化物浓度（9 mM），但腐蚀严重程度并不与本体硫化物积累成比例。最高腐蚀速率出现在碳限制条件下（0.55 mm yr^?1），而乳酸和酵母提取物分别为0.122和0.072 mm yr^?1。点蚀速率在碳限制条件下也最为显著（0.65 mm yr^?1）。这些发现表明，离岸基础材料的测试条件应包括低碳可利用性情景，以更好地反映沉积物区域，并强调需要进一步开展机制研究。

碳饥饿增强海洋离岸基础设施中微生物影响腐蚀——论文解读

海洋腐蚀是金属材料在海水环境中退化的主要过程之一，海上风电基础作为全球脱碳战略中的关键资产，其服役寿命很大程度上取决于钢制基础在严苛环境下的长期耐久性。在海上风电单桩基础中，泥面区位于海床以下，承受最大弯曲载荷，且氧渗透受限，形成显著氧化还原梯度，因此成为微生物影响腐蚀（MIC）的高风险区域。传统观念认为，沉积物中可生物利用的有机碳含量低，会限制微生物代谢活动，从而降低MIC威胁。然而，纯培养实验已经证明，碳饥饿条件下某些微生物能转向利用金属铁作为电子供体，通过胞外电子传递（EET）加速腐蚀。但天然沉积物中的复杂微生物群落在碳限制下是否同样会加剧腐蚀，此前并不清楚。为此，研究人员设计了本项探索性机制研究，以北海沉积物为接种物，考察碳可利用性对碳钢腐蚀行为和微生物群落结构的影响，相关成果发表在《Frontiers in Microbiology》。

该研究设置三种营养条件：空白（无外加碳）、乳酸（3.5 g L^?1）和酵母提取物（1 g L^?1）。实验采用封闭循环流动柱系统，柱内底部放置5 mL北海沉积物作为天然微生物接种物，上覆1 L循环无菌海水，碳钢片（0.8×0.8×0.1 cm）悬于水相中，运行28天。每种处理设三个生物重复，另设无菌对照。主要技术方法包括：失重法计算腐蚀速率；三维光学轮廓仪测量点蚀深度和腐蚀层厚度；能量色散X射线光谱（EDS）和聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）分析腐蚀产物元素组成和截面结构；液相色谱-质谱联用（LC-MS）进行非靶向代谢组学；16S rRNA基因扩增子测序分析生物膜微生物群落。沉积物样本采集自荷兰北海近海风电场附近海床以下约5米处，海水氯离子浓度为15,824 mg L^?1，约为典型北海海水的一半。

结果显示，营养条件显著改变了腐蚀行为。在失重测量和三维轮廓分析中，空白（无营养）处理下碳钢腐蚀速率最高，平均为0.323 mm yr^?1，最高可达0.55 mm yr^?1；乳酸处理平均为0.122 mm yr^?1，酵母提取物处理平均为0.072 mm yr^?1。点蚀速率同样在空白条件下最高，平均为0.410 mm yr^?1，最高达0.65 mm yr^?1，而乳酸和酵母处理分别为0.177和0.143 mm yr^?1。空白处理中出现了更多大体积蚀坑，表明碳饥饿加剧了局部腐蚀。无菌对照的腐蚀速率均低于0.05 mm yr^?1，证实微生物活动是腐蚀差异的主导因素。

对于腐蚀层和生物膜特征，三维光学轮廓仪测量显示，乳酸处理表面层平均厚度最大（0.897 μm），空白处理次之（0.878 μm），酵母提取物最薄（0.761 μm）。乳酸处理厚度变异系数最低（0.098），表面层最均匀；酵母处理变异系数最高（0.172），表明其腐蚀层更薄且更不均匀。EDS分析表明，酵母处理中腐蚀产物硫含量最高，比其他处理高2～5倍，铁/硫比最低，提示形成富硫铁硫化物相；乳酸处理硫含量最低。FIB-SEM截面观察发现，乳酸和酵母处理的腐蚀沉积物呈多孔层状，内部存在连通空隙和通道，硫在空腔及金属界面附近富集，氧信号较低，表明腐蚀产物层内存在化学异质微环境，与局部腐蚀过程密切相关。

代谢组学分析显示，酵母处理中多种代谢物（如嘌呤、甜菜碱、异戊酸等）相对富集，反映复杂有机底物促进了更广泛的微生物代谢；空白和乳酸处理中差异代谢物较少。总溶解硫化物测定显示，酵母处理的总硫化物浓度最高（中位数>9 mM），显著高于空白和乳酸处理。但腐蚀严重程度并未随本体硫化物浓度升高而加剧。乳酸处理因pH较低（6.81），估计分子H₂S比例最高（约61%），但其腐蚀速率仍低于空白。这表明本体溶液中的硫化物浓度不能直接反映界面微环境的腐蚀性。

16S rRNA基因扩增子测序显示，三种营养处理的α多样性（物种丰富度和Shannon指数）总体相近，但β多样性显著不同（PERMANOVA R²=0.846，p=0.0028）。属水平上，Desulfomicrobium在空白和乳酸处理中富集，是一种不完全氧化型硫酸盐还原菌（SRB），可将乳酸氧化为乙酸并产生硫化物；Halodesulfovibrio在酵母处理中占优势，属于嗜盐SRB；Ilyobacter在乳酸和酵母处理中较多，属于发酵菌，可产生乙酸和氢气；Syntrophotalea在空白条件下富集，提示碳限制下互养代谢活跃，可能通过回收沉积物内源有机物为SRB提供电子供体。整体来看，腐蚀并非由单一菌种驱动，而是由发酵菌、产乙酸菌和硫酸盐还原菌组成的代谢网络共同作用的结果。

讨论部分强调，碳限制条件可能促使微生物群落从利用外部有机碳转向利用金属铁作为电子供体，或强化沉积物-生物膜界面内的物质循环，从而引发更强的局部腐蚀。营养丰富的条件虽然促进硫化物产生，但可能使代谢活动偏向本体溶液，而非集中于金属表面。该研究海水氯离子浓度约为半强度海水盐度，因此将结果直接外推至完全海洋盐度的北海环境时需谨慎。研究结论指出，低碳可利用性情景应纳入离岸基础材料的测试体系，以更真实地模拟泥面区沉积物环境；检测和监测策略应重点关注局部腐蚀、蚀坑形态和腐蚀产物层异质性，因为深点蚀对结构完整性的影响可能比平均腐蚀速率更为关键。