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

雙厭氧反應器模型

來源：npj Materials Degradation | (2024) 8:125


摘要核心內容


論文開發了一種新型雙厭氧生物膜反應器模型，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UNS G10180碳鋼的腐蝕機制。通過多學科方法（電化學、表面分析、微生物組學）證實，電活性細菌（SRB和IRB）通過胞外電子傳遞（EET）主導微生物腐蝕（MIC），生物膜顯著加劇局部點蝕，同時降低均勻腐蝕速率。


研究目的


建立標準化模型：開發可重復的生物膜-MIC研究平臺，模擬真實海洋工程環境（如海上風電密封艙）。

揭示腐蝕機制：闡明混合菌群生物膜下SRB和IRB的協同腐蝕作用。

推動工業標準：為生物膜防控策略（如殺菌劑評價）提供數據支持。


研究思路


graph LR

A[雙反應器設計] --> B[無菌對照組 vs 接種海洋沉積物組]

B --> C[28天持續監測]

C --> D1[電化學性能] --> D11[開路電位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[點蝕密度/深度]

C --> D3[微生物群落] --> D31[16S rRNA測序] & D32[ATP活性]

C --> D4[硫化物濃度] --> D41[Unisense微電極動態監測]


關鍵數據測量及意義

1. 硫化物濃度（Unisense微電極數據 - 圖1）


數據：

無菌組：穩定低濃度（均值29.2 μmol/L）

生物組：第2周達峰值150 μmol/L，后期降至無菌組水平

意義：

動態反映SRB代謝活性：硫化物峰值證實SRB在早期通過EMIC（電化學MIC）直接氧化鐵釋放電子（反應式：4Fe0+SO42?+3HCO3?+5H+→FeS+3FeCO3+4H2O）。

揭示腐蝕機制轉變：后期硫化物下降與IRB競爭電子受體（Fe3+）相關，導致代謝路徑從硫酸鹽還原轉向鐵還原。

Unisense電極價值：

高靈敏度（檢測限0.3 μM）實現原位實時監測，避免取樣干擾厭氧環境。

驗證了生物膜成熟后腐蝕產物（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）


數據：

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

點蝕面積：生物組（2398 μm2） > 無菌組（1939 μm2）

意義：

生物膜不均勻分布導致局部微環境，加速點蝕（NACE SP0775-2023評定為嚴重點蝕速率>0.38 mm/yr）。


3. 電化學響應（圖4 & 圖5）


數據：

無菌組：Rp穩定在500 Ω·cm2（多孔腐蝕產物導致均勻腐蝕）

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

意義：

生物膜初期作為物理屏障抑制離子擴散，后期通過EET促進局部陰極反應。


4. 微生物群落（圖6 & 附表6）


數據：

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

浮游菌以發酵型菌為主（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 無菌組0.25 mm/yr）

顯著加劇點蝕（點蝕密度提高2.4倍，點蝕面積增大23%）。

腐蝕機制演化：

早期：SRB主導的EMIC（硫化物峰值）

后期：IRB參與鐵還原，形成綠銹（Fe3O4、FeCO3）促進局部腐蝕。

工程意義：

傳統均勻腐蝕模型低估實際點蝕風險，需針對生物膜設計防控策略（如靶向電活性菌的殺菌劑）。


Unisense電極數據的深層意義


動態關聯腐蝕與代謝：

硫化物濃度變化直接關聯SRB活性，為實時監測MIC提供指標。

機制診斷價值：

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

技術優勢：

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


局限提及：論文指出實驗中途無法校準電極，可能影響中期數據精度；且硫化物濃度受pH影響，需結合pH數據解讀（實驗中未測）。


總結


該研究通過創新雙反應器模型，結合Unisense微電極等多學科手段，揭示了混合生物膜中電活性菌（SRB/IRB）通過EET驅動點蝕的機制。Unisense數據不僅動態驗證了SRB代謝活性，還為理解腐蝕機制轉變提供了關鍵證據，對工程防腐策略制定具有重要指導意義。