海上风电单桩基础内季节性动态生态系统支持微生物影响腐蚀

《Frontiers in Microbiology》：Seasonally dynamic ecosystems within offshore wind power monopile foundations support microbially influenced corrosion

　　

引言：微生物影响腐蚀（MIC）是海事领域普遍存在的问题，造成严重的经济损失。海上风电系统的基础结构（单桩）似乎特别容易发生MIC。中空结构截留海水，因此与周围水体的交换有限。单桩内部这些特殊的环境条件在塑造微生物群落及相应的生物地球化学过程中起关键作用。目前，海上单桩内部的腐蚀防护措施仅针对电化学腐蚀，这很可能是因为缺乏对这些特定环境中参与MIC的微生物过程和类群的认识。方法：研究人员报告了在德国北海一个单桩结构内部进行的两次原位孵育实验。将常用于单桩的低碳钢（S355）在近乎封闭的结构内的表层水和底层水中分别孵育3个月和12个月。与原位孵育并行，进行了时间和空间上的地球化学和微生物水柱剖面分析。采用扫描电子显微镜和3D显微镜、胞外聚合物（EPS）定量以及基于RNA的16S rRNA基因谱分析对钢生物膜进行分析，并与环境参数进行相关性分析。结果与讨论：水柱地球化学参数显示单桩内部存在强烈的季节性垂直分层。在夏季月份，底层水可形成无氧条件（O₂ = 0 μM），底层水中积累了生物成因甲烷和高腐蚀性、有毒的硫化氢。与水柱样品相比，不同深度的钢孵育生物膜表现出较低的微生物多样性。通常与MIC相关的微生物类群，如铁氧化细菌（例如Hoeflea属）、硫酸盐还原菌（例如Desulfobacteraceae科）和产甲烷古菌（例如Methanococcaceae科），以及点蚀的出现，均表明在钢试片孵育期间MIC过程已开始发生。总之，水柱高度动态的环境参数和钢结构的暴露时长显著影响钢表面的微生物群落组成，从而也可能影响未受腐蚀保护的单桩内部MIC相关材料降解的潜力。

**海上风电单桩基础内微生物影响腐蚀的原位研究解读**

**1. 研究背景与科学问题**

海上风电是全球脱碳战略和可再生能源转型的关键组成部分。绝大多数现役海上风机（尤其是水深不超过30米的区域）采用单桩基础——一种直接打入海床的圆柱形钢管。这类钢结构与其它海洋钢铁设施一样，面临着严重的腐蚀问题，全球海事工业因此每年承担约2.5万亿美元的成本。除电化学和物理腐蚀外，微生物影响腐蚀（MIC）预计占所观察腐蚀损伤的20%–40%。单桩内部构成了MIC相关微生物的特殊栖息地：中空圆柱结构封闭了一部分水体，仅通过有限数量的补水孔或电缆入口与外界海水交换，导致水体混合受阻，形成近乎停滞的水体。在静水条件下，微生物耗氧可导致底层水脱氧，而风暴事件又会打破分层，重新充氧。这种动态条件深刻影响着单桩钢壁的电化学、物理和微生物腐蚀过程。然而，目前针对单桩内部的腐蚀防护措施（如牺牲阳极阴极保护SACP和强制电流阴极保护ICCP）仅应对电化学腐蚀，缺乏针对MIC的抑制措施。这主要是因为对单桩内部特定环境中参与MIC的微生物过程与类群认识不足。既有研究虽使用钢试片测定腐蚀速率并推测MIC发生，但未整合变化的环境条件或分析相关微生物群落。因此，研究人员在德国北海FINO3研究平台的实际单桩结构内开展了原位孵育实验，旨在填补这一知识空白，评估未受腐蚀保护条件下单桩内部的MIC潜力。

**2. 研究内容与主要技术方法**

研究人员在FINO3平台单桩内部（地理坐标55°11.7′N/007°09.5′E，位于DanTysk风电场区域内）开展了系统研究。该单桩为S355钢制，水柱深度约22米，在3.3米水深处有七个30×10 cm的补水孔。实验设计包括：（1）在6 m和21 m水深进行为期3个月（2023年7月至10月）的原位孵育（孵育A），以及在6 m、15 m和21 m水深进行为期12个月（2023年10月至2024年10月）的原位孵育（孵育B），所用钢试片为30 mm × 29 mm × 10 mm的S355低碳钢；（2）在2023年9月、10月以及2024年6月、10月四个时间点采集水柱样品，分析营养盐、溶解气体（CH₄、CO₂）、H₂S、氧气、金属离子等地球化学参数，并利用剖面仪原位测量温度、盐度、pH、H₂S和O₂；（3）对钢生物膜进行扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、3D显微镜和胞外聚合物（EPS）提取定量分析；（4）提取水样过滤膜和钢试片刮取物的RNA，经逆转录后进行16S rRNA基因（细菌V3-V4区、古菌V4-V5区）扩增子测序，结合QIIME2和R环境进行生物信息学处理和统计分析（包括PCoA、Shannon多样性指数和Spearman相关性分析）；（5）对3个月原位孵育后的钢试片和新鲜钢试片分别进行实验室有氧/无氧孵育（A1和A2系列），以模拟不同氧可用性条件。

**3. 研究结果**

**3.1 单桩内部水柱的季节性分层**

水柱地球化学数据显示，2023年9月、2024年6月和2024年10月均存在季节性分层，而2023年10月因风暴事件导致完全混合。2023年9月底层水（约21 m）积累了1.2 mM H₂S、232 μM CH₄和35,858 ppm CO₂，铵浓度高达1.2 mM，并检测到约18 μM铝（可能来自牺牲阳极）。2024年6月在约15 m处形成温跃层和化学跃层，底层水O₂为0 μM，H₂S达0.7 mM。2024年10月分层减弱，底层水已不再缺氧，H₂S被完全消耗。

**3.2 S355钢试片原位孵育的目视观察、显微分析与EDS**

3个月孵育的6 m试片覆盖红棕色腐蚀产物（铁氧化物），21 m试片覆盖黑色腐蚀产物并散发硫化物气味。12个月孵育的试片腐蚀产物层更厚但更软，6 m和15 m试片同时呈现红棕色和黑色产物。SEM观察到6 m和15 m试片存在铁氧化细菌典型的鞘和扭曲柄结构；21 m试片出现片状沉积物，暗示FeS存在。EDS结果显示硫含量随深度增加，21 m孵育A中硫约占18%（w/w）。3D显微镜显示表面粗糙度（Sa值）较初始状态增加4.7倍（21 m孵育A）至26.1倍（21 m孵育B），且孵育B在所有深度均观察到点蚀，最大蚀坑深度达103 μm（21 m）。

**3.3 水柱与钢生物膜群落多样性**

钢生物膜的细菌和古菌α多样性显著低于水柱样品。PCoA分析显示群落按样品类型、孵育类型、孵育时长和水深聚类。21 m水样（2023年9月）与21 m孵育A钢生物膜聚为一簇；厌氧实验室孵育形成独立簇；6 m原位及实验室孵育样品聚为一簇。

**3.4 细菌群落组成**

水柱细菌群落在6 m以好氧有机营养菌为主（Rhodobacteraceae、Flavobacteriales、Cyanobiaceae等），底层水在分层期富含硫氧化菌（Sulfurimonadaceae、Arcobacteraceae）。孵育A的6 m钢生物膜以Sulfurimonas（17%）和Hoeflea（14%）为主，后者具有Fe(II)氧化耦合硝酸盐还原能力；21 m钢生物膜中硫酸盐还原菌（SRB）占49%（Desulfobacteraceae、Desulfovibrionaceae、Desulfocapsaceae）。孵育B的6 m样品以Pseudoalteromonas属（32%–61%）主导，同时含有高达47%的SRB；15 m和21 m样品SRB占比分别达76%和81%–93%。实验室孵育中，21 m样品的SRB优势得以延续，但科级组成发生更替（Desulfobacteraceae和Desulfonatronaceae增加）。

**3.5 古菌群落组成**

水柱古菌以Nitrosopumilaceae和Marine Group II为主。2023年9月底层水富含Woesearchaeales（25%）和产甲烷古菌（Methanosarcinaceae+Methanomicrobiaceae合计46%）。钢生物膜中产甲烷古菌占绝对优势：孵育B的21 m样品100%为产甲烷菌，6 m样品含75% Methanococcaceae。孵育A的6 m古菌群落含Nitrosopumilaceae（65%）、Woesearchaeales（29%）和Bathyarchaeia（6%）。

**3.6 微生物谱系与水柱性质的Spearman相关性**

在钢生物膜中，Sulfurimonadaceae、Thiomicrospiraceae与多数营养盐和锰呈显著正相关，与阴离子、总铁、甲烷及孵育时长呈负相关。Desulfobacteraceae、Desulfovibrionaceae与甲烷、硫酸盐呈正相关，与氧气和pH呈负相关（仅孵育B分析）。Methanococcaceae与甲烷、阴离子、水深正相关，与氧气和pH负相关。水柱微生物群落与环境参数无显著相关性。

**3.7 原位孵育钢生物膜EPS表征**

EPS提取分析显示，孵育A中酸性多糖随深度增加，峰值519 μg/g湿生物膜（21 m）；蛋白质和中性多糖低于检测限。孵育B中中性多糖可测（15.7–75.7 μg/g），蛋白质仅在6 m和21 m各一个样品中检出（32.4和546 μg/g）。脂质含量在两种孵育中范围相近（2.0–5.0 mg/g）。总体EPS含量低于预期，可能反映低生物膜形成量或物理提取法的局限性。

**4. 总结与结论**

研究表明，海上风电单桩基础内部是一个生物地球化学活性反应器：有限的水交换、季节性水柱分层和钢表面定殖共同创造了厌氧和好氧微生物过程的热点区域。夏季分层导致底层水缺氧、硫化物和甲烷积累，冬季风暴则使水体重新充氧。钢试片上的微生物群落以MIC相关类群为主——SRB和产甲烷古菌在缺氧条件下和长期孵育后占绝对优势，铁氧化细菌和异养生物膜形成菌在初期阶段发挥重要作用。尽管无法完全区分电化学腐蚀与MIC，但点蚀的出现（对S355低碳钢而言非典型电化学腐蚀特征）、FeS的疑似存在以及SRB和产甲烷菌的高丰度均强烈表明MIC在未受保护的单桩内部极有可能发生，且随暴露时间延长而加剧。作者得出结论：单桩结构内部的微生物定殖、群落组成和相关过程受暴露时长、底物可利用性和环境条件共同影响；这些动态生态系统的存在可能同时影响微生物影响腐蚀和电化学腐蚀，进而影响海上风电基础结构的材料退化与服役寿命。该研究为开发针对单桩内部MIC的有效抑制措施提供了关键的现场基线数据。