Dual anaerobic reactor model to study biofilm and microbiologically influenced corrosion interactions on carbon steel

雙厭氧反應(yīng)器模型

來(lái)源：npj Materials Degradation | (2024) 8:125

摘要核心內(nèi)容

論文開(kāi)發(fā)了一種新型雙厭氧生物膜反應(yīng)器模型，用于研究海洋沉積物微生物群落（含硫酸鹽還原菌SRB和鐵還原菌IRB）在人工海水（ASW）中對(duì)UNS G10180碳鋼的腐蝕機(jī)制。通過(guò)多學(xué)科方法（電化學(xué)、表面分析、微生物組學(xué)）證實(shí)，電活性細(xì)菌（SRB和IRB）通過(guò)胞外電子傳遞（EET）主導(dǎo)微生物腐蝕（MIC），生物膜顯著加劇局部點(diǎn)蝕，同時(shí)降低均勻腐蝕速率。

研究目的

建立標(biāo)準(zhǔn)化模型：開(kāi)發(fā)可重復(fù)的生物膜-MIC研究平臺(tái)，模擬真實(shí)海洋工程環(huán)境（如海上風(fēng)電密封艙）。

揭示腐蝕機(jī)制：闡明混合菌群生物膜下SRB和IRB的協(xié)同腐蝕作用。

推動(dòng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：為生物膜防控策略（如殺菌劑評(píng)價(jià)）提供數(shù)據(jù)支持。

研究思路

graph LR

A[雙反應(yīng)器設(shè)計(jì)] --> B[無(wú)菌對(duì)照組 vs 接種海洋沉積物組]

B --> C[28天持續(xù)監(jiān)測(cè)]

C --> D1[電化學(xué)性能] --> D11[開(kāi)路電位OCP] & D12[極化電阻Rp] & D13[阻抗譜EIS]

C --> D2[腐蝕形貌] --> D21[表面粗糙度] & D22[點(diǎn)蝕密度/深度]

C --> D3[微生物群落] --> D31[16S rRNA測(cè)序] & D32[ATP活性]

C --> D4[硫化物濃度] --> D41[Unisense微電極動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)]

關(guān)鍵數(shù)據(jù)測(cè)量及意義

1. 硫化物濃度（Unisense微電極數(shù)據(jù) - 圖1）

數(shù)據(jù)：

無(wú)菌組：穩(wěn)定低濃度（均值29.2 μmol/L）

生物組：第2周達(dá)峰值150 μmol/L，后期降至無(wú)菌組水平

意義：

動(dòng)態(tài)反映SRB代謝活性：硫化物峰值證實(shí)SRB在早期通過(guò)EMIC（電化學(xué)MIC）直接氧化鐵釋放電子（反應(yīng)式：4Fe0+SO42?+3HCO3?+5H+→FeS+3FeCO3+4H2O）。

揭示腐蝕機(jī)制轉(zhuǎn)變：后期硫化物下降與IRB競(jìng)爭(zhēng)電子受體（Fe3+）相關(guān)，導(dǎo)致代謝路徑從硫酸鹽還原轉(zhuǎn)向鐵還原。

Unisense電極價(jià)值：

高靈敏度（檢測(cè)限0.3 μM）實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免取樣干擾厭氧環(huán)境。

驗(yàn)證了生物膜成熟后腐蝕產(chǎn)物（如綠銹GR）的屏障作用抑制硫化物釋放。

2. 表面形貌（圖2 & 圖3）

數(shù)據(jù)：

點(diǎn)蝕密度：生物組（31 pits/mm2）顯著高于無(wú)菌組（13 pits/mm2）（圖3c）

點(diǎn)蝕面積：生物組（2398 μm2） > 無(wú)菌組（1939 μm2）

意義：

生物膜不均勻分布導(dǎo)致局部微環(huán)境，加速點(diǎn)蝕（NACE SP0775-2023評(píng)定為嚴(yán)重點(diǎn)蝕速率>0.38 mm/yr）。

3. 電化學(xué)響應(yīng)（圖4 & 圖5）

數(shù)據(jù)：

無(wú)菌組：Rp穩(wěn)定在500 Ω·cm2（多孔腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致均勻腐蝕）

生物組：Rp周期性波動(dòng)（5000–15,000 Ω·cm2），反映生物膜動(dòng)態(tài)形成（圖4b）

意義：

生物膜初期作為物理屏障抑制離子擴(kuò)散，后期通過(guò)EET促進(jìn)局部陰極反應(yīng)。

4. 微生物群落（圖6 & 附表6）

數(shù)據(jù)：

生物膜富集電活性菌：Desulfomicrobium（SRB）、Shewanella（IRB）、Desulfuromonas（SRB/IRB）

浮游菌以發(fā)酵型菌為主（如Vibrio）

意義：

生物膜特異性：電活性菌在金屬表面定植，直接參與EET腐蝕，與浮游菌群落顯著不同。

核心結(jié)論

生物膜的雙重作用：

降低均勻腐蝕速率（0.025–0.12 mm/yr vs 無(wú)菌組0.25 mm/yr）

顯著加劇點(diǎn)蝕（點(diǎn)蝕密度提高2.4倍，點(diǎn)蝕面積增大23%）。

腐蝕機(jī)制演化：

早期：SRB主導(dǎo)的EMIC（硫化物峰值）

后期：IRB參與鐵還原，形成綠銹（Fe3O4、FeCO3）促進(jìn)局部腐蝕。

工程意義：

傳統(tǒng)均勻腐蝕模型低估實(shí)際點(diǎn)蝕風(fēng)險(xiǎn)，需針對(duì)生物膜設(shè)計(jì)防控策略（如靶向電活性菌的殺菌劑）。

Unisense電極數(shù)據(jù)的深層意義

動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)腐蝕與代謝：

硫化物濃度變化直接關(guān)聯(lián)SRB活性，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)MIC提供指標(biāo)。

機(jī)制診斷價(jià)值：

峰值后下降暗示電子受體競(jìng)爭(zhēng)（Fe3+ vs SO42?），解釋后期IRB富集原因。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

微尺度檢測(cè)（50 μm直徑）捕捉界面反應(yīng)，避免整體溶液稀釋誤差，尤其適用于低流速/停滯環(huán)境（如海上風(fēng)電密封艙）。

局限提及：論文指出實(shí)驗(yàn)中途無(wú)法校準(zhǔn)電極，可能影響中期數(shù)據(jù)精度；且硫化物濃度受pH影響，需結(jié)合pH數(shù)據(jù)解讀（實(shí)驗(yàn)中未測(cè)）。

總結(jié)

該研究通過(guò)創(chuàng)新雙反應(yīng)器模型，結(jié)合Unisense微電極等多學(xué)科手段，揭示了混合生物膜中電活性菌（SRB/IRB）通過(guò)EET驅(qū)動(dòng)點(diǎn)蝕的機(jī)制。Unisense數(shù)據(jù)不僅動(dòng)態(tài)驗(yàn)證了SRB代謝活性，還為理解腐蝕機(jī)制轉(zhuǎn)變提供了關(guān)鍵證據(jù)，對(duì)工程防腐策略制定具有重要指導(dǎo)意義。