模拟海洋流条件下微生物群落动态与铜镍及钛电化学腐蚀行为的关联

《International Biodeterioration & Biodegradation》：Linking microbial community dynamics to electrochemical corrosion behaviour of copper-nickel and titanium in simulated marine flow conditions

　　

低流速海水中微污损演替与CuNi和Ti合金上的MIC相关联。*Marinobacter*和*Cytophagales*主导了CuNi早期生物膜；*Bdellovibrionaceae*主导了Ti上的生物膜。硫酸盐氧化菌（SOB）、产酸细菌（APB）和瞬时硫酸盐还原菌（SRB）——而非SRB单独——共同驱动了CuNi钝化膜的失稳。CuNi点蚀深度达5.27 μm；Ti未出现点蚀，且在第16周时进口处已重新钝化。研究结果支持多物种MIC模型，而非以单一SRB为核心的框架。

## 引言

腐蚀是一个复杂的进程，由化学、电化学和/或生物反应驱动，导致材料性能劣化并影响结构完整性（Khamis等，2025）。全球腐蚀的年度成本估计为2.5万亿至4万亿美元（约占全球GDP的3-4%），对石油天然气、海洋工程和水处理等行业影响显著（Guo等，2022）。预测水基系统中约20%的腐蚀损失和50%的管道失效是由微生物通过复杂代谢反应引起的，这一现象被称为"微生物影响腐蚀"（MIC）（Little等，2020）。参与MIC的微 生物包括细菌、古菌、真菌和微藻，它们主要以生物膜群落的形式存在于表面，其与金属基体和周围环境的相互作用强烈影响腐蚀动力学（Lee等，2021）。尽管MIC的环境和材料方面已得到广泛探索，但对微生物群落的形成与结构的全面认识，以及其介导MIC的分子机制仍然知之甚少（Kotu等，2019）。

在细菌贡献者中，硫酸盐还原菌（SRB）和产酸细菌（APB）被认为是通过产生硫化物和有机酸驱动MIC的关键因素，其中SRB单独据估占所有MIC案例的近一半（Yuan等，2013）。MIC可在有氧和无氧条件下发生，但停滞或低流速环境中的无氧MIC造成的经济损失更为严重（Amendola等，2022）。虽然胞外电子传递（EET-MIC）和代谢物介导的MIC（M-MIC）是铁基合金的已确立机制，M-MIC被认为是铜及其合金更相关的机制（Amendola等，2022），也是本研究关注的重点。然而，大多数现有MIC模型仍以SRB为核心（Little等，2020），忽略了生物膜固有的多物种动态（Marciales等，2019）。实际上，生物膜是经历生态演替的动态共生体，展现出复杂的协同代谢和化学相互作用，可与群落成员形成促进或抑制关系（Little等，2020）。例如，SRB依赖其他好氧微生物来创造有利的厌氧微环境（Knisz等，2023）。因此，确定全部微生物贡献者对于验证真实条件下的MIC机制模型至关重要。近期MIC研究越来越多地采用基于DNA的16S/18S rRNA扩增子的下一代测序（NGS）技术（Kotu等，2019；Plany等，2021），改进后的小亚基（SSU）引物现已能够同时检测细菌、古菌和真核生物（Parada等，2016；Stamps等，2020；Milke等，2022）。此外，互补的DNA/RNA测序相比仅使用DNA的方法提高了活性微生物检测的准确性，从而增强了我们对与腐蚀相关的微生物群落的理解（Vadde等，2025）。

铜及其合金广泛应用于海洋结构，包括热交换器、管道和管路系统，因为它们具有由保护性氧化膜赋予的高机械强度和耐腐蚀性（Cohen等，2005）。类似地，钛（Ti）合金因其卓越的强度、低密度和优异耐腐蚀性——归因于稳定的氧化层——而广泛应用于汽车、航空航天、生物医学和海洋领域（Yan等，2018）。尽管钛在海洋环境中表现出优异的耐腐蚀性，但铜及其合金在停滞或低流速海水条件下更容易受到MIC影响，并导致了严重的基础设施失效，尽管它们被视为抗菌材料（Amendola等，2022；Javed等，2016）。水动力学条件显著影响铜及其合金的生物膜发展和腐蚀。例如，在海水环境中运行的铜镍（CuNi）90/10基管道和管路系统中，据报道流速高于3 m s?1（10 ft s?1）可以去除保护性钝化膜并引起冲刷腐蚀，而停滞或低流速（低于0.9 m s?1或约3 ft s?1）条件则促进MIC发生（Beardwood，2011；Pu等，2025）。多项案例研究记录了低流速海水条件下CuNi管道和热交换器出现的针孔泄漏，主要原因是MIC（Chandra等，2019；Horn，2009；Almahamedh，2014），并建议保持海水流速在1.2 m s?1以上（约4 ft s?1）以减轻MIC失效（Horn，2009）。虽然SRB被报道为铜及其合金MIC失效的关键贡献者，但大多数现有知识来源于聚焦于单一菌株的研究（Wang等，2024；Pu等，2023）。在实际系统中，SRB依赖其他微生物在表面建立厌氧环境（Knisz等，2023）。然而，对初始生物膜定殖者如何抵抗铜毒性并创造厌氧环境的了解有限，突显了确定这些早期定殖者并监测铜及其合金表面关键微生物贡献者随时间演替的必要性，以开发准确的MIC机制。

本研究解决了MIC文献中的一个关键空白：尽管微生物演替和腐蚀之前已在停滞海水条件下得到研究，且铜合金上成熟生物膜已在现场条件下得到表征，但在连续、可控的低流速海洋条件下——与在役管道和热交换器系统相关的条件——微生物群落演替和腐蚀的时间动态仍未被探索。虽然我们最近的研究调查了模拟停滞海洋条件下CuNi 90/10合金上的早期定殖者和微生物演替（Vadde等，2025），但除现场成熟生物膜研究外（Zhang等，2019），尚无研究涉及低流速条件下的这些动态。在此方面，本研究调查了在低流速海水暴露16周条件下CuNi和Ti（Grade 2）上总群落和活性微污损群落的时序演替与多样性，及其腐蚀行为。具体目标为：1）表征CuNi和Ti金属上微污损群落的微生物演替和多样性，特别关注与铜抵抗和生物膜形成相关的功能基因；2）评估金属表面发育的生物膜结构和组成以及腐蚀产物，以及点蚀形态；3）评估CuNi和Ti的电化学性质和耐腐蚀性；4）表征水动力学并评估微宇宙水槽内水流的空间异质性。本研究使用定量聚合酶链反应（qPCR）量化铜抵抗和生物膜基因，并采用NGS监测微生物演替和多样性，通过基于DNA和RNA的分析系统评估了CuNi和Ti表面的总群落和活性微生物动态。生物膜形态、腐蚀产物和点蚀腐蚀形态分别使用扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱和光学轮廓仪进行表征。开路电位（OCP）、线性极化电阻（LPR）和电化学阻抗谱（EIS）用于评估电化学性质和腐蚀行为。最后，使用计算流体力学（CFD）建模模拟微宇宙水槽内的水流速度和流动模式。我们的假设是：（1）连续低流速条件将选择出与之前报道的停滞条件群落不同的、具有铜抵抗性和生物膜形成能力的早期定殖者；（2）微生物群落的多样性和组成——而非SRB的单独存在——将决定CuNi上观察到的MIC程度和模式，与更具耐腐蚀性的Ti形成对比；（3）微宇宙中流速和剪切应力的空间变化将在进口和出口位置产生可测量的生物膜发展和钝化膜稳定性差异。本研究独特地整合了微生物学、电化学和表面分析，以阐明低流速海洋条件下铜镍合金上的早期微生物定殖和腐蚀过程，填补了理解控制MIC启动的微生物和材料因素的关键知识空白。

## 实验方法摘要

### CuNi和Ti金属试样制备

在本研究中，CuNi-90/10（UNS C70600）和钛（Grade 2，UNS R504）金属试样，尺寸为2.54 × 5.08 × 0.16 cm3，采购自MetaSpec公司（美国得克萨斯州圣安东尼奥），其化学成分分别列于表S1和S2中。金属试样的一面涂覆了环氧树脂，其中嵌入了用于电化学测试的铜电极，而另一面保持未涂覆状态，提供11.16 cm2的实验暴露面积。

### 支持铜抵抗和生物膜发展的功能基因动态

Fig. S3展示了CuNi生物膜中16S rRNA基因及铜抵抗和生物膜形成功能基因的绝对丰度。在16周的暴露期间，16S rRNA基因保持相对稳定，表明整体微生物负荷一致。在铜抵抗基因中，*cusA*跟随16S rRNA基因趋势（在第8周和第16周最高），而*copA*显示出不同的模式，丰度比*cusA*低约一个数量级。与EPS产生相关的DG-2支持……

## 讨论

尽管铜及其合金具有抗菌特性，但在低流速或停滞海洋条件下，铜基热交换器、管道和冷凝器中频繁报告生物膜介导的MIC（Chandra等，2019；Horn，2009；Carvalho等，2014）。本研究考察了铜抵抗性和生物膜形成微生物的早期定殖、其时序演替以及作为总群落（gDNA）和活性群落（cDNA）的多样性，以及相关腐蚀行为……

## 结论、挑战与未来展望

CuNi在高流速下保持耐腐蚀性，但在低流速条件下发展出不稳定的钝化和局部点蚀，由微生物共生体驱动，起始于铜抵抗性、生物膜形成定殖者（*Marinobacter*、*Cytophagales*、*Halomonas*、*Alteromonas*）。SOB和APB的同时存在，连同瞬时SRB和古菌，表明微生物代谢活动——而非SRB的单独存在——驱动了微环境形成和氧化膜……

## CRediT作者贡献声明

Kiran Kumar Vadde：撰写——初稿，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念设计。Luis Perdomo-Hurtado：方法论。Jorge Escribano：方法论。Alejandro Morales Betancourt：方法论。Oladis Troconis de Rincón：撰写——审阅与编辑，方法论，正式分析。Muhammad Awais Javed：撰写——审阅与编辑，正式分析。Scott Wade：撰写——审阅与编辑，正式分析。Jason S. Lee：撰写——审阅与编辑，正式分析。

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

## 致谢

本工作由海军研究办公室（ONR Code 332）在项目编号N00014-23-1-2325下资助。作者感谢UTSA基因组学核心实验室的Sean Vargas在测序方面的帮助。

Kiran Kumar Vadde | Luis Perdomo-Hurtado | Jorge Escribano | Alejandro Morales Betancourt | Oladis Troconis de Rincón | Muhammad Awais Javed | Scott Wade | Jason S. Lee | Brandy Rincón Troconis | Vikram Kapoor