Microbially influenced corrosion and rust tubercle formation on sheet piles in freshwater systems  

淡水系統中鋼板樁上微生物影響腐蝕及銹瘤形成的研究  

來源：Environmental Microbiology, Volume 25, 2023, Pages 1796-1815

《環境微生物學》第25卷，2023年，第1796-1815頁  

 

摘要內容  

該研究首次通過多技術聯用（微電極剖面、顯微CT、掃描電鏡、穆斯堡爾光譜、微生物測序）揭示了淡水環境中鋼板樁銹瘤形成的微生物驅動機制。研究發現銹瘤內部存在顯著化學梯度（O?、pH、氧化還原電位），分層結構包含腔室和通道，微生物群落代謝多樣性高（光養菌、硫酸鹽還原菌、鐵還原菌等）。銹瘤核心區域檢測到導電性鐵礦物（磁鐵礦），證實微生物通過胞外電子傳遞加速腐蝕進程。  

 

研究目的  

闡明淡水環境中銹瘤形成的微生物作用機制  

 

揭示銹瘤內部微環境梯度與微生物群落功能的關聯  

 

建立微生物-礦物相互作用的腐蝕模型  

 

研究思路  

實地采樣：在德國哈弗爾河選取三處鋼板樁銹瘤（永久淹沒/間歇淹沒區）  

 

原位測量：使用Unisense微電極測量銹瘤內部O?、pH、氧化還原電位梯度（圖2）  

 

 

結構解析：顯微CT（圖3）和掃描電鏡（圖4-5）揭示銹瘤多層結構與微生物分布  

 

 

 

 

礦物分析：穆斯堡爾光譜（圖6）鑒定鐵礦物相組成  

 

微生物組學：16S/18S rRNA測序分析微生物群落及代謝功能（圖7-8）  

 

 

模型構建：整合數據提出微生物驅動腐蝕的綜合機制（圖9）  

 

測量數據及研究意義  

微電極剖面數據（圖2）  

 

數據：O?濃度從表面300μM降至2mm深度以下不可測；pH從表面8.5-9降至內部5.5；氧化還原電位從+100mV降至-600mV  

 

意義：證實銹瘤內部形成強氧化-還原梯度，為電化學腐蝕提供微環境基礎  

銹瘤結構數據（圖3-5）  

 

數據：顯微CT顯示多層腔室結構（最大直徑17mm）；電鏡揭示微生物嵌入礦物基質（如硅藻、鞘細菌）  

 

意義：物理屏障效應限制物質擴散，促進局部微缺氧/厭氧環境形成  

礦物組成數據（圖6）  

 

數據：銹瘤外層以針鐵礦（α-FeOOH）為主（44-66%），內層含綠銹（Fe3?Fe2?(OH)?Cl）  

 

意義：導電礦物（磁鐵礦）存在加速電子傳遞，支持微生物胞外電子轉移  

微生物群落數據（圖7-8）  

 

數據：外層富集光養菌（藍細菌相對豐度＞15%）；內層富集硫酸鹽還原菌（脫硫弧菌屬＞5%）和鐵還原菌（地桿菌屬）  

 

意義：微生物代謝分工驅動腐蝕鏈式反應（外層產氧/有機物→內層厭氧還原）  

 

丹麥Unisense電極數據的核心意義  

使用Unisense微電極（Clark型O?電極OX-10/pH電極pH-10）實現：  

毫米級梯度解析：首次在野外銹瘤內部直接測量O?穿透深度僅2mm，證實擴散受限環境形成  

 

腐蝕反應指示：pH從堿性（表面pH9）到酸性（內部pH5.5）的突變反映Fe3?水解反應，氧化還原電位陡降（-600mV）指示Fe3?/SO?2?還原區  

 

微生物活性證據：O?消耗速率高于純化學腐蝕預測值，證明微生物呼吸作用主導氧化  

 

方法學突破：克服傳統體相測量局限，為原位微環境研究提供技術范式  

 

結論  

銹瘤是腐蝕熱點：多層結構形成化學梯度，外層為氧化區（光養菌主導），內層為還原區（硫酸鹽還原菌/鐵還原菌活躍）  

 

微生物驅動機制：  

 

光養菌提供有機物并升高pH促進礦物沉淀  

 

硫循環菌（脫硫弧菌）和鐵循環菌（地桿菌）通過胞外電子傳遞加速腐蝕  

 

發酵菌提供有機酸/氫氣維持還原代謝  

礦物-微生物互作：導電鐵礦物（磁鐵礦）形成生物電化學網絡，促進電子從金屬基質向微生物傳遞  

 

腐蝕持續機制：微生物介導礦物還原溶解（如綠銹），破壞銹瘤保護層，使腐蝕持續進行