研究簡介:硫酸鹽還原原核生物（SRP）被認為是工業中微生物影響腐蝕（MIC）的關鍵因素。然而，在反映生態相關條件的混合菌種生物膜中，對其行為的表征仍然有限。傳統研究多集中于單一菌種，雖然結果清晰、簡單且可重復，但缺乏生態相關性，未考慮已建立微生物組中的微生物相互作用。實驗使用了兩個厭氧CDC生物膜反應器，一個為無菌對照組，另一個為接種了微生物的實驗組。實驗中使用了從英國Langstone Harbour采集的沿海沉積物微生物群落，這些微生物在低氧條件下生長。通過連續流動的厭氧條件，研究了生物膜對碳鋼腐蝕的影響。實驗結果顯示，在生物膜條件下，碳鋼表面的腐蝕坑密度顯著增加，尤其是對于經過拋光的碳鋼樣品，其腐蝕坑密度達到每平方毫米47個坑，遠高于無菌對照組的3個坑。此外，生物膜條件下還觀察到更深和更大的腐蝕坑。通過微生物群落分析，研究發現生物膜中硫酸鹽還原菌，特別是電活性和腐蝕性的Desulfovibrio屬細菌顯著增加。這些微生物在生物膜中通過胞外電子傳遞（EET）過程直接從金屬表面獲取電子，從而加速腐蝕。此外，研究還通過多種分析方法（如電化學技術、共聚焦激光掃描顯微鏡和16S rRNA基因測序）綜合評估了微生物群落動態和腐蝕行為。本研究不僅深化了對微生物影響腐蝕機制的理解，還提供了一種靈活的工具，用于在現實和可定制的條件下測試腐蝕緩解策略。這種多學科的系統級方法是現有MIC協議的重要進步，有助于開發更具針對性和可持續性的腐蝕預防和管理策略。

Unisense微電極系統的應用

使用Unisense SULF-50微型硫化氫電極與Unisense H2S UNIAMP放大器，對厭氧MB培養基中的溶解H?S濃度進行了持續監測。這是評估硫酸鹽還原菌（SRB）代謝活性和理解其所致腐蝕機制的關鍵環節。對生物反應器（接種了微生物群落）和非生物對照反應器（無菌條件）中的培養基進行原位測量，測量點位于腐蝕中的碳鋼試樣附近，以獲取最接近金屬/溶液界面的H2S的原位測量數據。

實驗結論

研究揭示了在混合物種SRB生物膜中，腐蝕機制從早期的化學微生物影響腐蝕（CMIC）逐漸轉變為電化學微生物影響腐蝕（EMIC）。這種轉變與微生物群落的演替和環境因素（如H?S濃度和生物膜結構）密切相關。在早期階段，由于H?S濃度高且有機底物豐富，CMIC占主導地位；而在后期，隨著電活性SRB（如Desulfovibrio spp.）的增加，EMIC成為主要腐蝕機制。生物膜的存在顯著增加了碳鋼表面的腐蝕坑密度（PD），尤其是在拋光的碳鋼樣品中，PD達到每平方毫米47個坑，遠高于無菌對照組的3個坑。此外，生物膜條件下的腐蝕坑更深、更大，表明生物膜顯著加劇了局部腐蝕。生物膜結構可能抑制了FeS保護層的形成，維持了暴露的活性金屬表面，從而延長了EMIC過程。拋光的碳鋼樣品（表面粗糙度較低）表現出更高的腐蝕坑密度和更嚴重的局部腐蝕。這表明在混合物種生物膜條件下，生物膜的附著和腐蝕行為可能并不完全遵循簡化的表面粗糙度模型，而是受到生物膜生物量分布、微生物運動能力和局部化學環境的綜合影響。

圖1、28天內非生物和生物條件下的溶液中硫化物濃度的測量（SULF，μmol L）（原位測量了腐蝕性UNS G10180碳鋼附近的厭氧MB介質）。

圖2、第28天清潔的UNS G10180表面的三維光學表面輪廓測量。AR優惠券適用于：（a）非生物條件和（b）生物條件;和P試樣適用于：（c）非生物條件和（d）生物條件，暴露于厭氧MB培養基28天后。

圖 3、暴露于厭氧 MB 介質 28 天后的非生物和生物腐蝕性能：（a） 通過重量分析和表面輪廓測量評估的腐蝕速率 （b） 凹坑率和 （c） 凹坑密度（非生物和生物 AR 試樣的 p < 0.05，非生物和生物 P 試樣的 p < 0.0001，生物 AR 和生物 P 試樣的 p < 0.0066），AR 和 P 試樣。

圖4、UNS G10180碳鋼的LPR數據：（a）厭氧MB介質（非生物和生物條件）中的開路電位和（b）極化電阻，對于AR和P試樣（數據點代表平均值±標準差，n=3）。反應器攪拌器轉速為50 rpm。

圖5、OCP厭氧MB介質中UNS G10180碳鋼的EIS數據：（a，b）奈奎斯特，（c，d）波特相位角（θvs.f）和（e，f）波特阻抗模量（|Z|與f）超過28天。（n=3）。反應器攪拌器轉速為50 rpm。

結論與展望

本研究為在受控但現實的條件下研究MIC機制提供了一個新穎且生態相關的平臺。通過整合MLOE，我們描繪了混合物種SRB主導生物膜中腐蝕過程從CMIC到EMIC的時間演變。該方法允許在更還原論的系統中經常被掩蓋的機制分辨率，并強調了微生物演替、化學梯度和生物膜結構在影響腐蝕結果方面的重要性。這種可定制的雙生物反應器系統能夠真實地模擬工業條件，例如調節流速以復制停滯與高剪切環境，通過受控調節氧化還原電位，氣體噴射（例如氮氣、氫氣或低濃度氧氣）和不同的底物類型（例如乳酸鹽、乙酸鹽、乙醇）來模擬不同的有機負荷場景，從而為評估MIC緩解策略提供強大的平臺，包括殺菌劑在動態、生態相關條件下的性能和持久性。通過測序進行的生物膜表征表明，生物膜中SRB顯著增加，特別是電活性和腐蝕性脫磺弧菌屬。

這種微生物在EET中起著至關重要的作用，EET是MIC的關鍵過程。本研究有助于更深入地了解混合物種生物膜中EMIC和CMIC的相對貢獻。確定在缺氧條件下在金屬/電解質界面處驅動CS腐蝕的微生物機制至關重要，因為硫化SRB培養物中的CR可能差異很大。通過使用MLOE，可以全面了解SRB在MIC中所扮演的角色。這可以為設計更可持續的預防和緩解戰略提供信息。

Unisense硫化氫微電極在本研究中扮演了“化學環境監測器”的角色。它通過提供高時間分辨率的原位硫化物濃度數據，將不可見的微生物代謝活動轉化為可量化的關鍵化學指標。這些數據不僅是證明微生物活性的直接證據，更是連接微生物行為（SRB的硫酸鹽還原）、環境化學（H?S濃度動態）和腐蝕結果（點蝕加劇與機制演變）的核心橋梁，為論文深入闡釋混合菌種生物膜下MIC的復雜機制提供了不可或缺的科學依據。通過整合多種分析方法（如微電極電化學技術、表面形貌分析、微生物群落測序等），本研究提供了一個全面且動態的視角來理解MIC過程。這種多學科的系統級方法能夠揭示在更簡化的系統中常被掩蓋的機制細節，并為開發更具針對性和可持續性的腐蝕預防和管理策略提供了科學依據。